מבצע מקרה כחול
המבצע > 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.
במהלך החודשיים הבאים ניהלה הארמייה ה-62 קרב מיגננה עיקש בחורבות העיר סטלינגרד, בסיוע כוחות תגבורת שהוזרמו אליה דרך נהר הוולגה, ובמקביל ערכו הכוחות הסובייטיים מדרום ומצפון לעיר שורה של מתקפות על שני האגפים של איגוד הכוחות הגרמני, שתקף את העיר. ההתקדמות הגרמנית בתוך העיר הואטה לכדי זחילה, ושני הצדדים ספגו אבדות כבדות במהלך הלחימה, אולם עד אמצע נובמבר 1942 השתלטו הגרמנים על למעלה מ-90 אחוז משטחה של סטלינגרד, ופיצלו את הכוחות המגינים לשלושה כיסי התנגדות קטנים.