To rozhodlo o jej nasadení do bitky o Stalingrad. 13. júla 1942 prebehla reorganizácia skupiny armád Juh. 6. armáda bola podriadená veliteľstvu Skupiny armád B maršala Maximiliana von Weichsa. Skupina armád B mala za úlohu prekročiť Volgu a dosiahnuť pobrežie Kaspického mora pri meste Astrachaň. Taktika bleskovej vojny tu však zlyhala a Nemcov pri Stalingrade zastavil silný odpor vzdorujúcich sovietskych vojsk. Boje sa naťahovali a Paulus bol nútený nasadiť do bojov v meste všetky svoje zálohy, krytie jeho roztiahnutých krídel, ktoré na juhu siahali hlboko do stepi a na severe sa tiahli pozdĺž rieky Don boli použité slabé rumunské a maďarské vojská. 17. októbra 1942, v období vrcholiacich bojov v meste mala armáda 17 divízií, s dovedna asi 334 000 mužmi. Počas pouličných bojov v oblasti Stalingradu 6. armádu zastihla zima a nedostatočný prísun zásob, ktorý dlhodobo viazol, v dôsledku preťaženosti železničných komunikácií.