הניצחונות הגרמניים יצרו יאוש כללי בסטאבקה. הגנת הערים האמיצה שהפגינו הסובייטים במהלך מבצע ברברוסה, לא חזרה על עצמה, ובכוחות הצבא האדום בקווקז השתררה דמורליזציה כללית. כדי למנוע עריקות, נאלץ סטלין להוציא ב-28 ביולי את פקודה מס' 227 הנודעת לשמצה ("אף שעל לאחור"). ב-29 ביולי חתכו הגרמנים את קו הרכבת האחרון שחיבר את הקווקז עם מרכז רוסיה, וגרמו לפאניקה ניכרת בסטאבקה. ב-31 ביולי נכבשה סלסק, וב-5 באוגוסט נפלה סטברופול. יום לאחר מכן הגיעו הגרמנים לפרברי קרסנודר. ב-9 באוגוסט כבשו הגרמנים את מייקופ, לאחר שהתקדמו יותר מ-480 ק"מ בתוך פחות משבועיים. בשלב זה כבר החלו להרגיש בצבא הגרמני במחסור בדלק ובאספקה, אף על פי שהלופטוואפה התאמץ ככל יכולתו לתספק את הכוחות דרך האוויר וביצע גיחות מסביב לשעון. שדות הנפט שממערב למייקופ נתפסו בפעולת קומנדו בלילה שבין 8-9 באוגוסט, אף על פי שהסובייטים הנסוגים הצליחו לחבל בהם ולקח לגרמנים שנה לתקן את הנזקים. פיאטיגורסק נלכדה זמן קצר לאחר מכן, וב-12 באוגוסט הונף דגל המלחמה של הרייך על ההר הגבוה ביותר בקווקז - הר אלברוס. עם זאת, מספר השבויים שלכדו הגרמנים (83,000) היה קטן מהמצופה, והרוסים התנגדו בנחישות שהפתיעה את הגרמנים. הם ניצלו את תנאי השטח ההרריים והפעילו יחידות פרטיזנים מקומיות ללוחמת גרילה נגד הגרמנים. מאחר שמרבית יחידות הנ"מ והלופטוואפה הועברו דרומה לסיוע קבוצת ארמיות A, העבירו הסובייטים לקווקז 800 מטוסים אשר כשליש מהם היו מבצעיים, והחלו להטריד את הגרמנים דרך האוויר. בעיה חמורה יותר הייתה המחסור בדלק שהאט ללא הרף את הפאנצרים הגרמניים. ב-28 באוגוסט נאלצו הגרמנים להתחיל להאט את קצב ההתקדמות. ב-31 באוגוסט הגרמנים הצליחו לנתק את חצי האי טאמאן מיתר כוחות הצבא האדום. הגרמנים הצליחו להגיע לפרברי נובורוסיסק אך לא יכלו להתקדם יותר. המתקפה נערכה בשני כיוונים כשהגרמנים מתקדמים בו זמנית בהרים בכיוון גרוזני ובדרך החוף בכיוון טואפסה. בהמשך נעצרה ההתקדמות לגרוזני וקבוצת ארמיות A התמקדה בכיבוש החוף בלבד.
הסובייטים הטילו למערכה את חזית צפון הקווקז אשר כללה את הארמיות ה-9 וה-44 שהתבצרו מצפון לנהר הטרק. ב-2 בספטמבר חצו הגרמנים את הנהר, אולם התקדמותם הייתה אטית. היטלר רגז על האטיות, הדיח את ליסט מהפיקוד על קבוצת ארמיות A ומינה את עצמו למפקד שלה. הוא לא טרח לבקר מעולם בחזית ולא הרחיק מזרחה מוולפשאנצה בפרוסיה המזרחית. בין 1-2 בספטמבר הובילו ספינות הקריגסמרינה 30,605 חיילים, 13,254 סוסים ו-6,265 כלי רכב מנועיים מרומניה דרך הים השחור. עם תגבורת זו, כבשו הגרמנים את מרבית ערי החוף בקווקז, פרט לנובורוסיסק אשר בה התכוננה הארמייה הסובייטית ה-47 למצור ארוך. ב-10 בספטמבר נפל הנמל של העיר, וכעבור ארבעה ימי התגוננות נכבשה שאר העיר. הארמייה ה-47 המשיכה לשלוט בכמה גבעות מדרום לנמל וכמה כבישי חוף הסמוכים לעיר. במהלך כיבוש העיר ספגו הגרמנים ובעלי בריתם אבדות כבדות. במיוחד היו כבדות האבדות של צבא רומניה, והדיוויזיה ההררית ה-3 של הרומנים כמעט נמחקה כליל. הגרמנים התאמצו להמשיך את המתקפה הלאה בכיוון טואפסה, אולם הסובייטים הצליחו לייצב את קו החזית. ב-24 בספטמבר תקפו הגרמנים את טואפסה אשר הייתה מוגנת בידי הארמיות הסובייטיות ה-18 ה-47 וה-56. המתקפה הסתיימה ב-23 באוקטובר בכישלון גרמני. ב-2 בנובמבר לכדו כוחות רומניים בפיקודו של לוטננט גנרל יואן דומיטראצ'י את נלצ'יק. בימים הבאים לכדו הגרמנים את ולדיקווקז ואלאגיר וייצבו קו חזית שהתמשך בין אלאגיר-בסלאן-מלגובק. הייתה זו שיא ההתקדמות הגרמנית בקווקז. ב-22 בנובמבר התפטר היטלר מתפקידו כמפקד קבוצת ארמיות A ומינה את קלייסט למפקד הקבוצה. בהמשך נובמבר ניסו הסובייטים לארגן מתקפות נגד, אולם נאלצו להפסיק אותן בתחילת דצמבר. לסיכום המתקפה ניתן לומר כי אף על פי שהגרמנים כבשו מספר ערים חשובות, הרי שהמטרה הסופית של המתקפה, הפקעת כל הקווקז מידי הסובייטים, לא הושגה.
ההתקדמות אל סטלינגרד.
היטלר הורה לפרידריך פאולוס מפקד הארמייה השישית להתקדם מזרחה לכיוון סטלינגרד. הארמייה הרומנית הרביעית הוצבה להגן על אגפו השמאלי לאורך נהר הדון, כדי שיוכל להתרכז במשימה זו. כאשר הפיקוד הסובייטי הבין לבסוף, כי יעדה של קבוצת ארמיות B אינו מוסקבה אלא חסימת התנועה על נהר הוולגה בסטלינגרד, הוא מיהר להקים חזית חדשה בשם חזית סטלינגרד בפיקוד סמיון טימושנקו, כדי להגן על דרכי הגישה לעיר. החזית כללה עם הקמתה שלוש ארמיות עתודה, שהועברו אליה מעתודת הסטאבקה (הארמיות ה-62, ה-63, וה-64) ושרידי הכוחות של החזית הדרום-מערבית. במחצית השנייה של יולי 1942 היא תוגברה ב-4 קורפוסי טנקים ובארמייה ה-51 של החזית הדרומית. שלוש ארמיות העתודה שסופחו לחזית הוצבו באזור טולה, מדרום למוסקבה, והעברתן לאזור סטלינגרד הייתה משימה מורכבת, שדרשה זמן ניכר. חלק מיחידותיהן הגיעו לקו החזית רק לקראת סוף החודש, והן לא הספיקו להתחפר ולהקים מערך הגנה ראוי לשמו לפני שהותקפו על ידי הכוחות הגרמניים. השליטה הכמעט מוחלטת של חיל האוויר הגרמני בשמיים מעל שדה הקרב העניקה לצבא הגרמני יתרון גדול על הצד הסובייטי, משום שהכוחות הסובייטיים היו חשופים לחלוטין לתקיפות מהאוויר בערבה השטוחה והחשופה ממערב לסטלינגרד. בסטלינגרד עצמה, החלו התושבים להתכונן להדיפת המתקפה הגרמנית, ולחפור מספר קווי הגנה סביב העיר.
ב-23 ביולי פתחו 3 קורפוסים של הארמייה השישית במתקפה על הכוחות הסובייטיים שהחזיקו בברך הגדולה של נהר הדון, וב-25 בחודש הגיע קורפוס הפאנצר ה-14 אל הדון מצפון לקלאץ, ואיים לכתר את כוחות הארמייה ה-62 ממערב לנהר. בשלב זה הטיל הפיקוד הסובייטי למערכה את ארמיית הטנקים הראשונה וארמיית הטנקים הרביעית, במטרה לכתר ולהשמיד את כוחות החלוץ הגרמניים. התקפות הנגד הסובייטיות נכשלו, לאחר שספגו אבדות כבדות, אולם ההתנגדות הסובייטית העזה שכנעה את הפיקוד הגרמני כי יש צורך לתגבר את הארמייה השישית בכוחות נוספים כדי שתוכל לבצע את משימתה. שני קורפוסים של ארמיית הפאנצר הרביעית בסיוע קורפוס רומני הופנו מזרחה, כדי לתקוף את סטלינגרד מכיוון דרום, ולכתר את הארמיות הסובייטיות ה-62 וה-64, לפני שיספיקו לסגת אל העיר. אולם עד 9 באוגוסט הצליחו הסובייטים לבלום את התקדמות ארמיית הפאנצר הרביעית לכיוון סטלינגרד, ורק ב-17 באוגוסט הצליחה הארמייה השישית להשלים את חיסול המאחזים הסובייטיים האחרונים בברך הגדולה של הדון. ב-20 באוגוסט פתחו הסובייטים במתקפת נגד על האגף השמאלי של כוחות הציר שהתקדמו לעבר סטלינגרד. הארמיות הסובייטיות ה-63 וה-21 תקפו את עמדות הארמייה האיטלקית השמינית בסמוך לסראפימוביץ', והצליחו לבסס ראש גשר בגדה הדרומית של הדון. במקביל, תקפה ארמיית המשמר הראשונה את עמדות הארמייה האיטלקית השמינית והארמייה ההונגרית השנייה באזור נובו-גריגורייבסקאג'ה והצליחה לבסס עוד מספר ראשי גשר מעבר לנהר.
חרף ראשי הגשר בעורפם, שהמשיכו להוות איום על האגף השמאלי של קבוצת ארמיות B, המשיכו הגרמנים להתקדם מערבה בכיוון סטלינגרד, אולם קצב ההתקדמות שלהם הואט מאוד. ב-23 באוגוסט הצליח קורפוס הפאנצר ה-14 לפרוץ מראש הגשר הגרמני בגדה המזרחית של כגון, להבקיע את החזית הסובייטית ולהגיע עד לנהר הוולגה מצפון לרינוק, הפרבר הצפוני של סטלינגרד. ביום אחד כמעט הכוחות הניידים הגרמניים את המרחק מהדון אל הוולגה, כ-40 ק"מ בנקודת ההבקעה. צי האוויר הרביעי בפיקוד וולפרם פון ריכטהופן ביצע בין 23 ל-25 באוגוסט סדרה של תקיפות מסיביות מהאוויר על סטלינגרד בכוח של כ-600 מפציצים. ההפצצות הגרמניות גרמו להרס רב. על פי השערות מאוחרות, ביומיים הראשונים של המתקפה נהרגו בעיר קרוב ל-40,000 אנשים, רובם אזרחים. במקביל, תקפו יחידות מדיוויזיית הפאנצר ה-16 את הרבעים הצפוניים של סטלינגרד, בניסיון לכבוש את העיר בסערה, אולם נהדפו על ידי כוחות נ.ק.ו.ד, ששימשו כחיל המצב של העיר, בסיוע יחידות מיליציה, שגויסו בחופזה מקרב פועלי התעשייה של העיר, וטנקים שהוסעו לקו החזית היישר מקווי הייצור של מפעל הטרקטורים (שהוסב לייצור טנקים) בצפון העיר.
סטלין, שייחס חשיבות רבה מאוד, הן צבאית והן פוליטית, להמשך ההחזקה בסטלינגרד, שלח בסוף אוגוסט את גאורגי ז'וקוב, אחד המפקדים המוכשרים ביותר של הצבא האדום ואיש אמונו, לאזור סטלינגרד כדי למנוע את נפילת העיר לידי הגרמנים. בפיקוחו של ז'וקוב, ביצעה חזית סטלינגרד בפיקוד וסילי גורדוב בסוף אוגוסט ובמהלך ספטמבר 1942 מספר מתקפות נגד על האגף השמאלי של הארמייה השישית מצפון לסטלינגרד. כל ההתקפות הסובייטיות נהדפו באבדות כבדות, אך הם ריתקו חלק גדול מיחידות הארמייה השישית, ומנעו מהם להשתתף במערכה בתוך סטלינגרד.
הכוחות הגרמניים התקדמו לכיוון סטלינגרד בשתי זרועות, כאשר הארמייה ה-6 תוקפת מכיוון מערב מאזור קלאץ, בעוד ארמיית הפאנצר הרביעית תוקפת מדרום מכיוון קוטליניקובו. על אף ההתנגדות הסובייטית העיקשת, הצליחו שתי הארמיות הגרמניות לחבור במרחק קצר ממערב לסטלינגרד ב-3 בספטמבר, וב-13 בחודש החלה המתקפה הגרמנית על העיר עצמה, לאחר שארמיית הפאנצר הרביעית הצליחה להגיע אל הוולגה מדרום לסטלינגרד, ולנתק את הארמייה הסובייטית ה-62 משאר הכוחות הסובייטיים באזור סטלינגרד.