הפיקוד הסובייטי הופתע מהמתקפה הגרמנית החדשה, שפיצלה את הארמייה ה-51, ויצרה איום חמור על סטלינגרד. הוא נאבק לגייס בבהילות כוחות לעמוד מול האיום הגרמני החדש, ולבלום את המשך ההתקדמות הגרמנית אל העיר מכיוון דרום. הארמייה ה-51 תוגברה על ידי הארמייה ה-57 מעתודת חזית סטלינגרד (שכללה בשלב זה רק שתי דיוויזיות רובאים) וכוח משימה מאולתר, בסדר כוחות של קורפוס, מהארמייה ה-64, בפיקוד סגן מפקד הארמייה, וסילי צ'ויקוב. ב-2 באוגוסט כבשו כוחות החלוץ של קורפוס הפאנצר ה-48 את קוטלניקובו, ובאותו יום החליט סטלין לפצל את הכוחות של חזית סטלינגרד, ולהקים חזית חדשה בשם החזית הדרום-מזרחית, כדי לבלום את התקדמות ארמיית הפאנצר ה-4. אנדריי יריומנקו מונה כמפקד החזית החדשה, וקיבל תחת פיקודו את הארמיות ה-51, ה-57 וה-64, בסיוע קורפוס הטנקים ה-13 וארמיית האוויר ה-8 (שפוצלה גם היא למעשה לשניים, כדי להקים את ארמיית האוויר ה-16, שנועדה לסייע לחזית סטלינגרד). למרות התגבורות הסובייטיות, שהחלו לזרום לאזור ברכבות, המשיכו כוחותיו של הות בהתקדמותם המהירה, ועד 5 באוגוסט הגיעו לקו נהר אקסאי יסאולובסקי, ותפסו מספר ראשי גשר בגדה הצפונית של הנהר. בשלב זה הצליח הפיקוד הסובייטי לייצב קו הגנה חדש מצפון לנהר, והניסיונות הגרמניים להמשיך להתקדם לעבר סטלינגרד מכיוון דרום נתקלו בהתנגדות עזה. מיכאיל שומילוב, מפקד הארמייה ה-64, נטל לידיו את הפיקוד על הכוחות הסובייטיים באזור, והצליח לבלום את התקדמות קורפוס הפאנצר ה-48 והקורפוס ה-4 סמוך לתחנת הרכבת אבגאנרובו. ב-9 באוגוסט ערכה הארמייה ה-64 המתוגברת התקפת נגד מוצלחת באזור אבגאנרובו, שגרמה אבדות כבדות לקורפוס הפאנצר ה-48 ואילצה אותו לעבור למגננה. ממערב לאבגאנרובו, הצליח כוח המשימה בפיקוד צ'ויקוב, לבלום את התקדמות הקורפוס הרומני השישי על קו נהר אקסאי, וגרם לרומנים אבדות ניכרות.
ב-17 באוגוסט, לאחר שבוע של הפוגה, חידשה ארמיית הפאנצר ה-4, שתוגברה על ידי הדיוויזיה ה-267 ודיוויזיית הפאנצר ה-24 מהארמייה השישית, ושתי דיוויזיות רגלים רומניות, את המתקפה שלה מדרום לסטלינגרד. הגרמנים הצליחו לכבוש לבסוף את תחנת הרכבת אבגאנרובו, וכיתרו מספר רגימנטים סובייטיים באזור זה, אך שומילוב הזרים תגבורות לאזור והצליח לייצב מחדש את קו החזית הסובייטי מצפון לאבגאנרובו. ההתקדמות הגרמנית בגזרת אבגאנרובו איימה לכתר את כוח המשימה של צ'ויקוב, שהחזיק עדיין
בקו נהר האקסאי מול הקורפוס הרומני ה-6, ולכן יריומנקו הורה לאחרון לנתק מגע ולהסיג את כוחותיו צפונה לקו נהר מישקובה בליל 18/17 באוגוסט.
הרמן הות, מפקד ארמיית הפאנצר ה-4, החליט להסיט את כיוון המאמץ העיקרי שלו מזרחה, במטרה לאגף ולכתר את הכוחות הסובייטיים, שמנעו את המשך ההתקדמות הגרמנית באזור אבגאנרובו. לאחר פסק זמן לצורך ארגון מחדש של כוחותיו, חידש קורפוס הפאנצר ה-48 את המתקפה ב-20 באוגוסט, כשהוא מתקדם במקביל לקו האגמים, שמדרום לסטלינגרד. הכוחות הניידים הגרמניים הצליחו להשיג התקדמות מסוימת, תוך הדיפת התקפות נגד סובייטיות עזות, ואף הצליחו לכבוש את תחנת הרכבת בטנגוטה, בעורפם של הכוחות הסובייטיים, אך יריומנקו הזרים לאזור במהירות את עתודותיו, כולל קורפוס הטנקים ה-13 ויחידות ארטילריה ונ"ט, ומנע מהגרמנים להבקיע את חזיתו. עד ה-23 בחודש הצליחו הסובייטים לבלום שוב את התקדמות כוחותיו של הות, שמצאו עצמם במבלט פגיע וחשוף לאש הארטילריה הסובייטית. ב-25 באוגוסט חידשו כוחותיו של הות את המתקפה, אך נתקלו בקטע מבוצר היטב של רצועת ההגנה החיצונית, שנחפרה מסביב לסטלינגרד, ונאלצו לבטל את המשך המתקפה לאחר שספגו אבדות כבדות. רק ב-29 באוגוסט הצליחה ארמיית הפאנצר הרביעית, לאחר ששינתה שוב את כיוון המאמץ העיקרי שלה, לפרוץ לבסוף את מערך ההגנה הסובייטי, ולאלץ את כוחותיו של יריומנקו לסגת צפונה לכיוון סטלינגרד. הארמיות ה-64 וה-57 הצליחו לעכב את ההתקדמות כוחות הציר מדרום לסטלינגרד במשך יותר משלושה שבועות יקרים, אף על פי שסבלו מנחיתות משמעותית במספר הטנקים והמטוסים שעמדו לרשותן, באמצעות ניהול קרב מיגננה מאורגן היטב, והנעה מהירה של עתודותיהן. קרב ההגנה המוצלח, שניהלו כוחותיו של שומילוב מדרום לסטלינגרד, מנע חבירה של כוחות הארמייה השישית וארמיית הפאנצר הרביעית ממערב לעיר, כיתור הכוחות הסובייטיים, שהחזיקו בשטח שבין הנהרות דון ווולגה, וכיבוש סטלינגרד בסערה במחצית השנייה של אוגוסט 1942.
לאחר חיסול ראש הגשר, שהחזיקה הארמייה ה-62 בגדה המערבית של הדון, והשמדת הכוחות הסובייטיים, שכותרו בכיס קלאץ, התפנתה הארמייה השישית לעסוק בחיסול המאחז הסובייטי האחרון שנותר ממערב לנהר דון. מאחז זה הוחזק על ידי ארמיית הטנקים הרביעית, שכללה בשלב זה פחות מ-40 אלף חיילים וכמה עשרות כלי רכב משוריינים, בחלק הצפוני של הברך הגדולה של הדון. פאולוס ארגן מחדש את כוחותיו וב-15 באוגוסט פתח במתקפה גדולה, בהשתתפות שלוש מהקורפוסים שלו (קורפוס הפאנצר ה-14 והקורפוסים ה-8 וה-11) על ראש הגשר הסובייטי. הכוחות הגרמניים, שנהנו מעדיפות גדולה בכוח אדם ובשריון על הצד הסובייטי, ומסיוע אווירי מאסיבי, לא התקשו לדחוק לאחור את הכוחות המדולדלים של ארמיית הטנקים ה-4. עד תום היום הראשון למתקפה הם הצליחו לפצל לשניים את ראש הגשר הסובייטי ולצמצם מאוד את שטחו. פיקוד חזית סטלינגרד ניסה להזרים כוחות חזקים מארמיית המשמר הראשונה לראש הגשר, כדי לסייע בבלימת המתקפה הגרמנית ולעבור להתקפת נגד, אך אחר את המועד. עד 17 באוגוסט חוסל ראש הגשר הסובייטי כמעט לחלוטין, אם כי הסובייטים עדיין החזיקו בראש גשר קטן מדרום לדון באזור קרימנסקאיה. רוב הכוחות שהחזיקו בראש הגשר נאלצו לסגת לגדה המזרחית של הדון, לאחר שספגו אבדות כבדות, כולל מספר רב של שבויים ונעדרים (הגרמנים טענו שלקחו כמעט 13 אלף שבויים במהלך המבצע לחיסול ראש הגשר). ארמיית הטנקים הרביעית חדלה להתקיים ככוח לוחם.
ב-21 באוגוסט חצו יחידות מהארמייה השישית את נהר הדון באזור ורטיאצ'י והקימו ראש גשר בגדה המזרחית של הנהר. ב-23 באוגוסט הצליח קורפוס הפאנצר ה-14 לפרוץ מראש הגשר, ולהבקיע את החזית הסובייטית. הפיקוד הסובייטי הופתע מהמהלך הגרמני, ועוד באותו יום הגיעו יחידות החלוץ של הקורפוס עד לנהר הוולגה מצפון לרינוק, הפרבר הצפוני של סטלינגרד, לאחר התקדמות של כ-40 ק"מ מנקודת ההתחלה שלהם. אולם ניסיונה של דיוויזיית הפאנצר ה-16 לנצל את ההצלחה לכיבוש הרבעים הצפוניים של סטלינגרד, נבלם על ידי יחידות מיליציה, שגויסו בחופזה מקרב פועלי התעשייה של העיר, ורגימנט מהדיוויזיה ה-10 של הנ.ק.ו.ד, בסיוע טנקים שהוסעו לקו החזית היישר מקווי הייצור של מפעל הטרקטורים של סטלינגרד בצפון העיר. במקביל לפריצה הגרמנית אל הוולגה מצפון לסטלינגרד, ביצע צי האוויר הרביעי בין 23 ל-25 באוגוסט סדרה של תקיפות מסיביות מהאוויר על העיר בכוח של כ-600 מפציצים. ההפצצות הגרמניות גרמו להרס רב וגבו מספר רב של קורבנות, חלקם הגדול אזרחים.
אנדריי יריומנקו, שבשלב זה שימש כמפקד העליון של שתי החזיתות הסובייטיות, שהגנו על דרכי הגישה לסטלינגרד (חזית סטלינגרד והחזית הדרום-מזרחית), ניסה בתחילה לחסל את המבלט הגרמני מצפון לסטלינגרד, שרוחבו היה פחות מ-10 ק"מ, באמצעות התקפות נגד עזות מצפון ומדרום. הכוחות הסובייטיים, שכללו בין השאר 3 קורפוסי טנקים, הצליחו לנתק למשך מספר ימים את הכוחות העיקריים של קורפוס הפאנצר ה-14 משאר הכוחות של הארמייה השישית, והפעילו עליו לחץ כבד. מפקד הקורפוס ביקש אישור לפנות את עמדותיו על הוולגה ולסגת מערבה, אך פאולוס סירב לאשר את הנסיגה, וכוחותיו הרחיבו בהדרגה את ראש הגשר הגרמני בגדה המזרחית של נהר הדון. ב-29 באוגוסט הצליחה ארמיית הפאנצר הרביעית לפרוץ לבסוף את החזית הסובייטית מדרום לסטלינגרד, לאחר שריכזה את כוחותיה הניידים ממערב לתחנת אבגאנרובו. התפתחות זו אילצה את יריומנקו להורות באותו ערב לארמיות ה-64 וה-62 לפתוח בנסיגה אל טבעת ההגנה הפנימית של סטלינגרד, כדי למנוע את כיתור כוחותיו. ב-2 בספטמבר חברו לבסוף כוחות הארמייה
ה-6 וארמיית הפאנצר ה-4 ממערב לעיר סטלינגרד, לאחר יותר מחודש של לחימה, אך לא הצליחו לנתק וללכוד כוחות סובייטיים משמעותיים. החבירה של שתי הארמיות הגרמניות, שלחמו באזור סטלינגרד, הקלה עליהן לתאם את פעולותיהן.
במחצית הראשונה של ספטמבר התרכזו הקרבות במבואות סטלינגרד, וקצב ההתקדמות הגרמני הואט לכדי זחילה. רק ב-10 בספטמבר הצליחה ארמיית הפאנצר הרביעית להגיע אל הוולגה באזור קופורוסנויה מדרום לעיר, בתפר שבין הארמייה ה-64 והארמייה ה-62, ובכך השלימה את ניתוק הארמייה ה-62, והותירה אותה להילחם לבדה בחורבות העיר. אולם התקפות נגד סובייטיות ואש ארטילריה עזה גרמו אבדות ניכרות לקורפוס הפאנצר ה-48, ששימש כחוד החנית של מתקפת הארמייה מדרום לסטלינגרד, ושחקו עוד יותר את כוחותיו המדולדלים.