Průběh bitvy o Charkov rozhodl nasazení armády do bitvy u Stalingradu. 13. července 1942 proběhla reorganizace skupiny armád Jih. 6. armáda byla podřízena velitelství Skupiny armád B maršála Maximiliana von Weichse. Skupina armád B měla za úkol prekročit Volhu a dosáhnout pobřeží Kaspického moře u města Astrachaň. Taktika bleskové války zde však selhala a Němce u Stalingradu zastavil silný odpor sovětských vojsk. Boje se prodlužovaly a Friedrich Paulus byl nucen nasadit do bojů ve městě všechny svoje zálohy. Ke krytí jeho roztažených křídel, která na jihu sahala hluboko do stepi a na severu se táhla podél řeky Don, byly nasazeny slabé rumunské a maďarské jednotky. 17. října 1942, v období vrcholících bojů ve městě měla armáda 17 divizí, s asi 334 000 muži. Během pouličních bojů v oblasti Stalingradu 6. armádu zastihla zima a nedostatečný přísun zásob, který dlouhodobě vázl v důsledku přetíženosti železničních tratí.