当時人口60万だったスターリングラード市は、ソ連邦最高指導者ヨシフ・スターリンが革命時のロシア内戦においてデニーキン将軍の白衛軍に勝利した記念地を都市名の由来としていたが、地理的にみた場合、ロシア南部でヴォルガ川がドン川にむかって最も西側に屈曲した地点にあり、ここを抑えることはコーカサスや黒海・カスピ海からロシア中心部に至る、水陸双方にわたる複数の輸送路を遮断することにつながった。さらに経済および国防の観点によるならば、スターリングラードは五カ年計画において重点的にモデル都市として整備された結果、国内屈指の製鉄工場である赤い10月製鉄工場、大砲を製造していたバリカドイ（バリケード）兵器工場、さらにスターリングラード・トラクター工場（別名ジェルジンスキー工場）など、ソ連にとって国家的に重要な大工場が存在する有数の工業都市へと発展していた。特にスターリングラード・トラクター工場は、中戦車T-34の主要生産拠点であった。ドイツ軍装甲部隊に対抗可能な2種の新型戦車のうち、中戦車T-34はハリコフ機関車工場、重戦車KV-1はレニングラードのキーロフスキー工場が開発工場であり、主工場でもあったが、これらの工場はドイツ軍の進撃により疎開を強いられていた。その後、新たな戦車生産拠点となるクラスノエ・ソルモヴォ工場（ゴーリキー市）やハリコフ機関車工場の疎開先でもあるウラル戦車工場（ニジニ・タギル市）の操業が本格化する以前においては、スターリングラード・トラクター工場こそが、最も有力な主力戦車組立工場であった。市内では、これら工場群の男女労働者や、未成年のコムソモール（共産主義青年同盟）団員で編成された、ソ連共産党に忠実な市民勢力による義勇兵のほか、ティモシェンコ元帥とともにドン川方面から組織的に撤退して再編された将兵。さらには前年以来ウクライナから逃れてきた難民も市内に収容されており、スターリングラードはロシア南部最後の拠点という性格を有していた。また、もしソ連赤軍が反撃に転じた場合は、ロストフ奪回の策源地にもなりえた。
フリードリヒ・パウルス大将率いる第6軍は、8月16日までにドン川西岸をすべて確保し、グスタフ・アントン・フォン・ヴィッテルスハイム歩兵大将のXIV装甲軍団とヴァルター・フォン・ザイトリッツ＝クルツバッハ砲兵大将のLI軍団を先頭に、スターリングラード市街に迫った。
南方軍集団は6月28日にクルスク方面からドン河に向かって南東に攻撃を開始した。まず、ドイツ第2軍と第4装甲軍、およびハンガリー第2軍が左翼となってドン河をめざし、30日には第6軍がドネツ河を渡って右翼を担った。第4装甲軍に属する第48装甲軍団は7月3日にドン川に達し、7月6日からイリューシン設計局の航空機工場があるヴォロネジを2個師団の兵力により攻撃した。一方、ソ連軍はドイツ軍が危惧した通りライヘル少佐が携えていた命令書を確保していた。しかし疑い深いスターリンは、ドイツ軍はヴォロネジからオリョール、さらにモスクワにむけて北上するだろうと考え、命令書を罠と判断する。これにもとづき、フィリップ・ゴリコフ中将のブリャンスク方面軍は、ヴォロネジ市街地に拠点を構えて頑強に抵抗した。その結果、ドイツ第48装甲軍団は市街戦と補給に苦しみ、歩兵部隊の到着を得て7月13日にようやくヴォロネジを占領することができた。この影響で南方軍集団は足止めされ、ドン川下流の制圧に7月下旬までかかるが、その間にチモシェンコ元帥は残存兵力をドン川湾曲部、さらにその東方スターリングラードまで撤退させた。作戦の第一段階での目標はドン川西岸でのソ連軍の撃破だった。ドイツ軍はドン川東岸に侵攻することはできたものの、その間に得られたソ連軍の捕虜や鹵獲装備は意外に少なく、敵がロシア伝統の秩序だった撤退を行っていることが推察された。こうしたおり、ヒトラーはドン川→コーカサス地方という二段構えの攻勢を想定していたブラウ作戦を、二方面同時攻勢に変更させた。7月7日、南方軍集団はドネツ川沿いに進んでドン川を渡りカフカースの油田地帯を攻略する「A軍集団」（ヴィルヘルム・リスト元帥指揮。第17軍、第1装甲軍など兵力100万）と、チモシェンコ元帥のソ連軍を追撃・撃破しつつドン河沿いに進み、さらにスターリングラードでヴォルガ河を封鎖するという「B軍集団」（フェードア・フォン・ボック元帥指揮。第2軍、第6軍、第4装甲軍、イタリア第8軍、ハンガリー第2軍、ルーマニア第3軍、ルーマニア第4軍など兵力30万）に分割される。こうした兵力分割は、結果的に機動力の確保と補給を困難にさせた。
作戦前、第1軍司令官香月中将は武漢作戦にそなえる意味で河南省の開封占領を主張していたが、北支那方面軍に反対されたため開封より東の蘭封（らんほう）に目標をおさえていた。作戦開始後、第14師団の黄河渡河を援護する予定だった酒井支隊（酒井隆少将・第14師団所属）は、突如第2軍に配属され、第16師団の援護に転用されてしまった。方面軍司令部によるこの措置に第1軍司令部は驚愕したが、5月12日、第14師団は独力で黄河を渡り、蘭封を目指した。北支那方面軍は、再三にわたり第14師団を帰徳へ東進させるよう命令を出したが、かねてから方面軍司令部の統率に不満を募らせていた第1軍司令部はこれを拒絶し続けた。5月19日、徐州が攻略され中国軍主力は脱出したことがわかると日本軍は追撃にうつり、第1軍の蘭封攻撃が認められた。ところが、内黄の第14師団では補給線が攻撃にさらされて食料・弾薬が不足していた。そこで、歩兵第59連隊で蘭封を攻撃して牽制し、師団主力は南から迂回して隴海線を遮断、陳留口（黄河の渡河点）を確保して補給を受けることにした。5月21日に行動を開始し、師団主力は中国軍戦車を撃破しながら隴海線を遮断した。蘭封を守備する第27軍（桂永清）の抵抗は激しく、第59連隊に対して列車砲（仏製24cm）による砲撃も加えてきた。5月24日、師団主力は渡河点を確保し第59連隊の救出に向かったが、蘭封の中国軍は損害の増加により撤退したあとだった。第14師団は蘭封を占領したが、その周囲は第1戦区豫東兵団（12個師）によって取り囲まれていた。中国軍は総攻撃の準備を整え、第14師団は黄河を背にして円陣を敷いた。5月26日、中国軍は第一次総攻撃を開始、師団は防戦しつつ救援を要請した。方面軍では、第14師団の救出を理由に開封攻略が承認され、第16師団が帰徳から杞県（蘭封の南）へ向かった。蒋介石は第14師団の殲滅を厳命したが、中国軍は連日の猛攻撃でも攻めあぐねていた。5月31日、第16師団が杞県へ進出したため、中国軍は第14師団の包囲を解いて転進した。香月中将は更迭により、6月4日に第1軍司令官を離任した。