לאחר ההשתלטות על אזור סטלינגרד נועדו הכוחות הגרמניים, בסיוע מספר ארמיות מצבאות גרורותיה של גרמניה, להקים מערך הגנה, שישתרע ברובו לאורך נהר הדון, מאזור אוריול בצפון עד לנהר הוולגה במזרח, על מנת לאבטח את אגפם השמאלי. נשקלה גם אפשרות להציב כוח עתודה נייד מדרום לרוסטוב, כדי להגן על האגף הגרמני הימני מפני מתקפת נגד סובייטית מכיוון הקווקז. יעדי השלב הבא של המתקפה הגרמנית נותרו מעורפלים. אפשרות אחת הייתה להתקדם צפונה, לאורך נהר הוולגה, כדי לנתק את הכוחות הסובייטיים המגנים על מוסקבה מעורפם, או לנוע בכיוון צפון-מזרח במטרה לכבוש את מרכזי התעשייה הסובייטית בהרי אורל. אפשרות שלישית הייתה להפנות את הכוח הגרמני העיקרי דרומה, כדי לכבוש את אזור הקווקז, לנתק את אספקת הנפט הסובייטית, ואולי אף לשלוח כוחות דרומה דרך איראן וטורקיה, כדי לחבור לארמיית השריון אפריקה בפיקודו של ארווין רומל, ולהשתלט על מקורות הנפט של האימפריה הבריטית במזרח התיכון.
סדר כוחות.
מדינות הציר.
בשלבי הפתיחה של המבצע, השתייכו כל כוחות הציר שהשתתפו בו לקבוצת ארמיות דרום, בפיקוד פדור פון בוק, ולחמו תחת פיקוד אחיד. הם כללו 4 ארמיות גרמניות (כ-1.2 מיליון חיילים, ו-72 דיוויזיות) בסיוע 4 ארמיות של גרורותיה של גרמניה הנאצית (איטליה, רומניה והונגריה). זמן קצר לאחר פתיחת המבצע, פוצלה קבוצת הארמיות לשתי קבוצות ארמיות נפרדות, אשר כל אחת מהן קיבלה משימות ויעדים נפרדים. סדר הכוחות של קבוצת ארמיות דרום בראשית המבצע כלל את:
כוחות הלופטוואפה בחזית המזרחית כללו 2,644 מטוסים, וחלק גדול מהם (למעלה מ-60 אחוז) הוקצו לספק סיוע אווירי למתקפה של קבוצת ארמיות דרום. מטוסים אלו רוכזו במסגרת צי האוויר הרביעי תחת פיקוד אלכסנדר להר, שהוחלף בהמשך על ידי וולפרם פון ריכטהופן.
הצבא האדום.
עוד בזמן תכנון המבצע, יירטו הבריטים פרטים על המתקפה הצפויה, והעבירו אותם לסטלין, אולם האחרון התייחס למידע בביטול. ב-19 ביוני 1942, זמן קצר לפני פתיחת המבצע, הפילו הסובייטים מטוס גרמני מדגם פיזלר שטורך ליד חרקוב, בו טס מיור יואכים רייכל, קצין המבצעים של דיוויזיית הפאנצר ה-23. הסובייטים לכדו את גופתו של רייכל ומצאו בתיקו את תוכנית מבצע מקרה כחול. היטלר זעם על המחדל והדיח מתפקידם את מפקד הדיוויזיה של רייכל וגם את מפקד הקורפוס. התוכניות הועברו לידי הסטאבקה, אולם שם לא התייחסו אליהם ברצינות, והמשיכו להאמין שהמתקפה הגרמנית תתמקד באזור מוסקבה, במטרה לכבוש את בירת ברית המועצות. סטלין חשב, שמדובר במבצע הונאה גרמני, שנועד לגרום לפיקוד הסובייטי להעביר כוחות מאזור מוסקבה לחזית הדרומית. הגרמנים חיזקו את דעתו, שהם מתכוונים לחדש את המתקפה לכיוון מוסקבה, באמצעות מבצע הונאה מוצלח (מבצע קרמלין). כתוצאה מכך, מרבית הכוחות של הצבא הסובייטי הוצבו להגן על מרחב מוסקבה, מאוריול צפונה. בדרום רוסיה, בגזרה אותה תכננו הגרמנים לתקוף, הוצבו למעלה ממיליון חיילים סובייטיים במסגרת ארבע חזיתות: חזית בריאנסק בפיקוד פיליפ גוליקוב, החזית הדרום-מערבית בפיקוד סמיון טימושנקו, החזית הדרומית בפיקוד רודיון מלינובסקי וחזית צפון הקווקז בפיקוד סמיון בודיוני. לאחר פתיחת המתקפה הגרמנית, והתמוטטות כוחות הצבא האדום בגזרה שהותקפה, העביר הפיקוד הסובייטי תוך זמן קצר כ-1.7 מיליון חיילים נוספים (בסה"כ כמעט רבע מכוחות הצבא האדום) לאזור, והקים מספר חזיתות חדשות, כגון חזית וורונז' וחזית סטלינגרד, מכוחות העתודה שנשלחו לדרום רוסיה.
המבצע.
תחילת המתקפה.
מבצע מקרה כחול נועד להתחיל בסוף מאי 1942, אך הסתבכות הארמייה ה-11 בקרבות קשים בחצי האי קרים גרמה לדחיות חוזרות ונשנות. ההמתנה לסיום מסע המלחמה בקרים התארכה בשל עמידת הגבורה של המגינים הסובייטיים של סבסטופול שעמדו במצור קשה והחזיקו מעמד עד ראשית יולי 1942.
בה בעת, ערך הצבא האדום מתקפה גדולה באזור חרקוב באמצע מאי, במטרה לשחרר את העיר מידי הגרמנים. הכוחות הניידים הגרמניים ערכו התקפת נגד והצליחו לכתר ולהשמיד חלק גדול מהכוחות התוקפים במסגרת קרב חרקוב השני. המתקפה הסובייטית נכשלה מבלי שהייתה לה השפעה של ממש על תוכנית המתקפה הגרמנית, אך האבדות הכבדות בכוח אדם ובשריון שספג הצבא האדום במהלכה החלישו מאוד את כוחותיו בחזית הדרומית. כאשר פתחו הגרמנים במתקפת הקיץ שלהם, הם נהנו מעדיפות ניכרת על הכוח הסובייטי שעמד מולם, הן בכוח אדם ובמיוחד בטנקים ובמטוסים.
המתקפה הגרמנית נפתחה ב-28 ביוני כאשר הארמייה השנייה בפיקוד הנס פון זלמות וארמיית הפאנצר הרביעית של הרמן הות נעו מזרחה לכיוון וורונז' שעל הדון העילי. הלופטוואפה הפגין ביצועים מרשימים, ובתוך 26 ימים איבדו הסובייטים 783 מטוסים בהשוואה ל-175 גרמניים. הסטאבקה עדיין היה שבוי בתפיסה כי היעד העיקרי של המתקפה הגרמנית היא מוסקבה, ולכן העריך כי הגרמנים מתכוונים לנצל את ראש הגשר שתפסו באזור וורונז', כדי לכתר את מוסקבה מכיוון דרום. כתוצאה מכך הוא הזרים לאזור זה כוחות עתודה חזקים, שרוכזו במסגרת חזית חדשה בשם חזית וורונז', והטיל למערכה את ארמיית הטנקים החמישית (ארמיית הטנקים הראשונה שהקים הצבא האדום) בפיקוד אלכסנדר ליזיוקוב במטרה לחסל את ראש הגשר הגרמני מעבר לנהר דון. הארמייה כללה את קורפוסי השריון ה-2 וה-11, והתקפת הנגד שלה זכתה בתחילה להצלחה מסוימת. אולם חוסר ההכנה המספקת של המתקפה, העליונות הטקטית של הכוחות הגרמניים, והסיוע האווירי המסיבי שהם קיבלו, אילצו את ליזיוקוב להסיג את כוחותיו לעמדות המוצא שלהם ב-15 ביולי, לאחר שאיבד כמחצית מהטנקים שלו.
פיצול קבוצת ארמיות דרום.
בשלביו המוקדמים של המבצע, הסתכסך היטלר עם מפקד קבוצת ארמיות דרום פדור פון בוק. היטלר קצר הרוח דרש שארמיית הפאנצר הרביעית תתקדם קדימה ורק קורפוס פאנצר אחד ישאר כדי לסיים את הקרב על וורונז'. פון בוק לעומת זאת, דרש לדבוק בתוכנית המקורית על פיה הארמייה כולה צריכה לכבוש את וורונז' ורק אז להתקדם קדימה. היטלר התערב בתוכניות המבצע של "מקרה כחול" והורה לפלג אותו לשני מבצעים נפרדים: מבצע אדלווייס לכיבוש שדות הנפט של באקו ומבצע אנפה לכיוון סטלינגרד לאורך הוולגה. לצורך כך, ב-9 ביולי פיטר היטלר את פון בוק ופיצל את קבוצת ארמיות דרום לשתי קבוצות ארמיות נפרדות: קבוצת ארמיות A עברה תחת פיקוד וילהלם ליסט וכללה את: ארמיית הפאנצר הראשונה, הארמייה ה-17, הארמייה הרומנית השלישית והארמייה ה-11. היא קיבלה תחת אחריותה את מבצע אדלווייס.
קבוצת ארמיות B עברה תחת פיקוד מקסימיליאן פון וייכס וכללה את הארמייה השנייה, ארמיית הפאנצר הרביעית, הארמייה השישית, הארמייה ההונגרית השנייה, הארמייה הרומנית הרביעית והארמייה האיטלקית השמינית. היטלר דרש משתי הקבוצות לסיים את שתי המשימות בו זמנית. עם זאת, הפיצול יצר מהומה בצבא הגרמני, שבלאו הכי סבל ממחסור באספקה ובדלק ומבעיות לוגיסטיות אחרות. בתחילה פעלו שתי קבוצות הארמיות בצמוד בניסיון לכתר כוחות סובייטיים גדולים ליד הדון, אולם הסובייטים למדו את לקח הקרבות הקודמים הסיגו את הארמיות שלהם בכל פעם שנראה היה שהן בסכנת כיתור.
הקרב על הקווקז.
ב-23 ביולי נפלה העיר רוסטוב על הדון - "השער לקווקז". מרבית יחידות הצבא נסוגו מהעיר בלי לנסות להגן עליה, אם כי חלק מיחידות הנ.ק.ו.ד. לחמו עד האיש האחרון. היטלר הורה לארמייה ה-17 לכבוש את באטום, ובמקביל הורה לארמיית הפאנצר הראשונה בפיקוד אוואלד פון קלייסט לתקוף את מייקופ וגרוזני. כמו כן הוא הפקיע את ארמיית הפאנצר הרביעית מידי קבוצת ארמיות B ושלח אותה לסייע לקלייסט בכיבוש מייקופ, אף על פי שקלייסט התלונן שאנשיה אינם נחוצים ורק פוקקים את הכבישים. ארמיות הפאנצר הגרמניות נתקלו בכוחות החזית הדרומית בפיקוד רודיון מלינובסקי. החזית כללה 3 ארמיות סובייטיות: ה-18 ה-37 וה-51. תוך מספר ימים הוכו הסובייטים, והחזית הדרומית פורקה. מרבית יחידותיה הועברו צפונה. היטלר סבר שארמיית הפאנצר הרביעית אינה נזקקת יותר בחזית הקווקז, ושלח אותה חזרה לכיוון סטלינגרד.