苏军最高统帅部开始逐渐明确德军的意图，决心在斯大林格勒组织坚守。七月十二日在西南方面军原有基础上组建了由铁木辛哥元帅为司令员，赫鲁晓夫任军事委员会委员的斯大林格勒方面军，担负斯大林格勒方向的防御任务。其编成内有从苏军战略预备队调来的第六十二集团军、第六十三集团军、第六十四集团军和原西南方面军的第二十一集团军、二十八集团军、三十八集团军、五十七集团军残部，坦克第一集团军和第四集团军，下辖第十三坦克军、第二十二坦克军、第二十三坦克军，仅有坦克二百四十辆，以及空军第八集团军、海军伏尔加河区舰队。斯大林格勒方面军，编制内共有三十八个师，但只有第六十二集团军、第六十三集团军的全部，第六十四集团军两个师，坦克第一集团军、第四集团军各一个个师共十六个师的部队能够占领主要地带的防御阵地，其任务是固守巴甫洛夫斯克至库尔莫亚尔斯卡亚的长约五百三十公里、纵深为一百二十公里的防御地带。当面之敌为保卢斯的第六集团军和下辖的十八个齐装满员师。当时双方力量对比为基本持平，而且坦克、飞机以及火炮和迫击炮的的数量大致相等，德军实力略微占优。
在高加索方向，原南方方面军在撤退时遭到严重损失，原有的四个集团军只剩下十多万人。最高统帅部决定撤销南方方面军，并将所有部队编入北高加索方面军，由苏联元帅布琼尼任司令员，北高加索方面军的第三十七集团军和十二集团军受领了掩护斯塔夫罗波尔方向的任务，第十八集团军、五十六集团军和第四十七集团军则受领了掩护克拉斯诺达尔方向的任务，于是、在开始的时候兵力上占优势的德军顽强地向前推进。很快进抵库班河。八月，在迈科普方向上，交战也激烈起来。八月十日，德军攻占了迈科普，十一日又攻占了克拉斯诺达尔。八月中旬，占领了莫兹多克，前出到捷列克河。到九月九日，德军将第四十六集团军击退后，占领了几乎全部山口。苏呼米面临着严重的危险。
而在七月十七日，苏德双方在斯大林格勒接近地展开了激烈的交战，会战正式开始。德军第六集团军在保卢斯上将指挥下，以第八步兵军和第十四装甲军为北突击集团，以第五十一步兵军和第二十四装甲军为南突击集团，突击苏军六十二集团军防御实施包围，向卡拉奇方向发展进攻。同时，以部分兵力向苏军第六十四集团军发起佯攻，以吸引苏军的注意力。七月二十三日，德军突破苏军第六十二集团军右翼防线，合围了该集团军的两个师，前出到斯大林格勒西面的顿河河岸。七月二十五日，德军对由苏军第六十四集团军的右翼阵地发起攻击，企图在卡拉奇附近强渡顿河。次日，苏军第六十四集团军被迫退过顿河。斯大林再也按捺不住对年迈的铁木辛哥元帅的失望，撤消了他斯大林格勒方面军司令员的职务，由第六十四集团军司令戈尔多夫中将接任，并派总参谋长华西列夫斯基上将作为最高统帅部代表前往斯大林格勒协助指挥战事。斯大林还决定将预备队的坦克第一集团军和第四集团军火速调往斯大林格勒地域。随后，为了增强斯大林格勒守军的斗志，斯大林于七月二十八日发布了命令，凡是不服从命令而离开战斗岗位或者撤退的军人都将被枪毙，并严厉要求苏军部队“绝对不许后退一步”德第六集团军由于缺少装甲兵力的支援，被迫转入防御态势。德军在行进间占领斯大林格勒的计划被粉碎。但此时顿河西岸苏军的处境非常困难，两翼都陷入了德军包围。二十八日，苏军从罗斯托夫撤退。
七月三十日，希特勒又作了一个影响命运的决定。他宣布：“因为高加索的命运是将要在斯大林格勒决定，所以由于这个会战的重要性，遂有从A集团军群抽调兵力以增强B集团军群之必要。”于是，霍特的第四装甲集团军又归还给B集团军群，并于八月一日奉命沿科捷尔尼科沃——斯大林格勒铁路向东北方向进击，当天迅速突破了苏第五十一集团军的防线，占领了蒙特纳亚。八月三日，霍特攻占了科捷尔尼科沃，接着又于五日突破了苏第六十四集团军的防御，前出到阿勃加涅罗沃地域，但之后遭到了苏军越来越顽强的抵抗和反击，霍特只好放弃了独立攻占斯大林格勒的想法，于八月九日转入守势。
八月五日，苏军最高统帅部决定将斯大林格勒方面军改组为东南、斯大林格勒两个方面军，由华西列夫斯基上将统一指挥。东南方面军由叶廖缅科上将指挥，编成内有第六十四集团军、第五十七集团军、第五十一集团军，以及坦克第一集团军、坦克第十三军和空军第八集团军。斯大林格勒方面军仍由戈尔多夫中将指挥，编成内有第二十一集团军、第六十二集团军、第六十三集团军集团军，以及坦克第四集团军、坦克第二十八军和空军第十六集团军。
八月十九日，保卢斯和霍特重新发起了进攻。保卢斯第六集团军从斯大林格勒西北面的特列赫奥斯特罗夫卡亚向东南攻击，二十二日突破苏第六十二集团军在韦尔加奇和彼斯科瓦特卡地段的防线，强渡顿河，占领了卡拉奇，二十三日第十四装甲军推进到斯大林格勒北郊的叶尔佐夫卡地域，前出到伏尔加河，将苏第六十二集团军与斯大林格勒方面军主力分割开来。霍特第四装甲集团军从南面的阿勃加涅罗沃地区向北进攻，突破了苏第六十四集团军的防御，二十九日进至城南的加夫里洛夫卡地域，其前锋已前出到京古塔车站。九月二日，保卢斯第六集团军右翼与霍特第四装甲集团军左翼在旧罗加奇克地区取得了联系。与此同时，德军第四航空队出动飞机几百架，入夜又出动；两千架次飞机对斯大林格勒进行狂轰滥炸。
鉴于斯大林格勒异常严峻的形势，斯大林任命朱可夫为最高副统帅，并决定立即调拨第二十四集团军、第六十六集团军和近卫第一集团军开赴斯大林格勒。八月二十九日，朱可夫飞到斯大林格勒并着手组织第二十四集团军、第六十六集团军和近卫第一集团军的反击行动。九月三日，斯大林致电朱可夫要求立即对斯大林格勒进行突击，以缓解当地紧张局势。
九月五日拂晓，朱可夫将三个新锐集团军投入反击，由于准备仓促，反击未达到预期目标。当晚，斯大林命令朱可夫继续冲击。九月六日，苏军再次发动进攻，再次失败。九月十日，苏军试图从北面实施突击，恢复同第六十二集团军的联系，又遭到失败。九月十二日，苏军撤至市区围廓，外围防御地带已全部丧失，德军突破斯大林格勒城防，从南面突进到伏尔加河，把守卫城市的第六十二集团军同战场上的其他部队分隔开来。
在高加索方向，利斯特A集团军群以高速前进。八月九日，克莱斯特第一装甲集团军占领了迈柯普油田。八月二十二日，克莱斯特的士兵在厄尔鲁斯山峰上升起了第三帝国的万字旗。八月二十五日，克莱斯特部又攻占了莫兹多克，距格罗兹尼四周的苏联最大产油中心只有五十英里，距里海也只有一百英里。八月三十一日，希特勒要求A集团军群司令利斯特元帅倾其所有的力量向格罗兹尼作最后进攻，尽快拿下油田。但德军冲击力迅速下降，进展缓慢。九月九日，希特勒免去了利斯特元帅的A集团军群司令的职务，由第一装甲集团军司令克莱斯特上将接任，第一装甲集团军司令则由麦肯森将军继任。克莱斯特上任后，虽然竭尽全力，也无法再前进一步。因为冲击力丧失的主要原因是缺乏燃油。
九月十二日，希特勒从东普鲁士飞抵乌克兰的文尼察，召见了B集团军群司令魏克斯上将和第六集团军司令保卢斯上将，命令他们于九月十三日对斯大林格勒发起新的进攻，并决定从高加索方向抽调九个师加强给第六集团军。A