Chiến dịch Blau
Diễn biến chiến sự trên hướng Volga-Đông > Chiến sự dọc Sông Đông năm 1942

Bài chi tiết: Chiến dịch Voronezh (1942)
Ngày 28 tháng 6 năm 1942, Cánh bắc Cụm tập đoàn quân Nam của quân đội Đức Quốc xã (từ ngày 7 tháng 7 là Cụm tập đoàn quân B) bắt đầu tấn công trên hướng Voronezh. Đòn tấn công đầu tiên của Tập đoàn quân xe tăng 4 do tướng Hermann Hoth chỉ huy đã chọc thủng tuyến phòng ngự của quân đội Liên Xô tại điểm tiếp giáp giữa tập đoàn quân 13 (Phương diện quân Briansk) và tập đoàn quân 40 (Phương diện quân Tây Nam). Sau hai ngày, tập đoàn quân này đã mở được một đột phá khẩu rộng hơn 50 km và sâu 40 km về hướng Voronezh. Mặc dù nắm trong tay một lực lượng dự bị rất mạnh nhưng Tư lệnh Phương diện quân Briansk, tướng F.I. Golikov đã không tổ chức được các đòn tấn công tổng lực vào hai bên sườn cánh quân xe tăng Đức mà lại tung từng quân đoàn xe tăng vào trận một cách nhỏ giọt để vá víu những lỗ thủng cục bộ, nhất thời trên tuyến phòng thủ. Các quân đoàn xe tăng sợ bị tách rời khỏi bộ binh nên không dám mở những đòn đột kích sâu. Kết quả là các tập đoàn quân 13 và 40 (Liên Xô) phải vừa chống đỡ vừa lùi dần về bờ tây sông Đông. Đến ngày 2 tháng 7 năm 1942, lỗ đột phá của Tập đoàn quân xe tăng 4 (Đức) tại khu vực tiếp giáp giữa hai phương diện quân đã sâu đến 80 km và mở rộng đến hàng trăm km.
Mặc dù Đại bản doanh yêu cầu tổ chức cho Tập đoàn quân xe tăng 5 phản công ngay nhưng tướng F.I. Golikov vẫn không giao cho tập đoàn quân này một nhiệm vụ nào cả. Đến khi tướng A.I. Lizyukov nhận được mệnh lệnh thì thời gian đã trôi đi mất mấy ngày quý giá. Lẽ ra được dùng vào việc phản công, phần lớn Tập đoàn quân xe tăng 5 đã phải làm nhiệm vụ cản hậu, cắt đứt các đường giao thông của các cánh quân xe tăng Đức đang tấn công và yểm hộ cho Tập đoàn quân 40 rút về Voronezh ở bên kia sông Đông qua Gorsetsnoye và Stary Oskol. Ngày 6 tháng 7, Tập đoàn quân xe tăng 5 bị xé lẻ ra và phải rút lui cùng với bộ binh. Trước tình hình trở nên nghiêm trọng, ngày 9 tháng 7, Bộ Tổng tư lệnh quân đội Liên Xô tách các tập đoàn quân cánh trái của Phương diện quân Briansk để thành lập Phương diện quân Voronezh do Trung tướng N.F. Vatutin làm tư lệnh, đồng thời tăng viện cho phương diện quân này các tập đoàn quân 6 và 60 để tổ chức phòng thủ tuyến Zadonsk - Pavlovsk. Trung tướng F.I. Golikov, Tư lệnh Phương diện quân Briansk bị cách chức. Trung tướng K.K. Rokossovsky thay thế ông ta.
Sau khi chiếm một nửa thành phố Voronezh trên bờ Tây sông Đông, ngày 7 tháng 7, Tập đoàn quân xe tăng 4 và Tập đoàn quân 6 (Đức) không vượt sông Đông tại đây mà mở cuộc tấn công về phía nam nhằm phối hợp với Cụm tập đoàn quân A hợp vây các Phương diện quân Tây Nam và Nam của Liên Xô tại khúc cong lớn của sông Đông. Đến ngày 16 tháng 7, quân Đức đã chiếm được một loạt các mục tiêu quan trọng trên con đường sắt chạy dọc theo hữu ngạn sông Đông gồm: Valuiky, Rossosh, Bogutsar, Chernaya Kalitva, toàn bộ vùng công nghiệp Donets, mở đường tiến ra sông Volga, đến Stalingrad và Kuban.
Trên hướng Nam, sau Chiến dịch Barvenkovo-Lozovaya, tướng von Kleist hướng đòn tấn công của tập đoàn quân xe tăng 1 về phía đông nam, đánh chiếm các đầu mối đường sắt quan trọng tại Kantemirovka, Minlerovo, đe dọa hợp vây các binh đoàn còn lại của Phương diện quân Tây Nam tại khu vực Donbass. Giữa lúc tình hình nghiêm trọng đang diễn ra, nguyên soái S. K. Timoshenko đã bỏ sở chỉ huy chính tại Kalach và dời đến sở chỉ huy dự bị tại Gorokhovka cách Kalach 4 giờ đi ô tô mà không hề thông báo cho Đại bản doanh biết. Vì vậy mà việc chỉ huy phương diện quân bị xáo trộn, các biện pháp cần thiết để rút quân cũng không được tiến hành kịp thời. Đích thân I. V. Stalin phải yêu cầu S. K. Timoshenko quay về sở chỉ huy chính. Trong khoảng thời gian đó, các tập đoàn quân 12, 28, 37 và 38 của phương diện quân đã phải tự mình chống đỡ đòn tấn công của 3 quân đoàn xe tăng và 2 quân đoàn bộ binh của Tập đoàn quân xe tăng 1 (Đức) đang đánh bọc sườn và chia cắt họ thành từng mảnh. Ngày 6 tháng 7 tập đoàn quân 6 bắt đầu tiến xuống phía nam từ Kamenka và tập đoàn quân xe tăng 1 tiến sang từ Konstantinov. Vì Tập đoàn quân xe tăng 4 (Đức) đang phải đối phó với cuộc phản kích của Tập đoàn quân xe tăng 5 (Liên Xô) tại Tây Nam Voronezh nên 2 tập đoàn quân này đã không hợp vây được các tập đoàn quân 9, 28 và 38 của Phương diện quân Tây-Nam mặc dù các đơn vị này đã suy yếu sau Chiến dịch Barvenkovo-Lozovaya. Tuy nhiên quân Đức cũng đã tiến được hàng trăm km. Ngày 11 tháng 7, sau khi được tăng viện, Tập đoàn quân xe tăng 1 và Tập đoàn quân 6 (Đức) đã tiến công bao vây các phân đội của Phương diện quân Tây-Nam làm nhiệm vụ cản hậu tại Millerovo ngày 15 tháng 7. Cuộc rút lui này đã đẩy Phương diện quân Nam (Liên Xô) vào tình thế hiểm nghèo do bị hở cả hai bên sườn và ngay lập tức bị Tập đoàn xe tăng 1 và Tập đoàn quân 6 bao vây. Phương diện quân Nam buộc phải rút lui xuống phía nam và một phần đã bị tiêu diệt. Tập đoàn quân xe tăng Đức 1 và tập đoàn quân 17 chiếm Rostov vào 23 tháng 7. Không còn hy vọng phòng thủ tại tuyến sông Đông, Bộ Tổng tư lệnh quân đội Liên Xô phải gấp rút thành lập Phương diện quân Stalingrad do tướng V. N. Gordov chỉ huy gồm các tập đoàn quân dự bị 1, 4, 5 và các đơn vị còn lại của các tập đoàn quân 21, 28, 38 và 57 thoát khỏi vòng vây bên hữu ngạn sống Đông rút sang. Nguyên soái S. K. Timoshenko bị triệu hồi về Đại bản doanh.
Ngày 24 tháng 7 năm 1942, tư lệnh tập đoàn quân xe tăng 5 (Liên Xô), tướng A. I. Lizyukov tử trận, cũng là ngày mà Chiến dịch Voronezh (1942) của quân đội Đức đã kết thúc với mục tiêu đạt được là "quét sạch bờ Tây sông Đông" để tạo bàn đạp tiến về phía nam theo đúng kế hoạch Blau đã quy định. Việc Cụm tập đoàn quân A (Đức) chờ đợi kết quả của cánh quân phía bắc, chậm phát động tấn công cũng như các đòn phản kích của Tập đoàn quân xe tăng 5 vào sau lưng cánh quân xe tăng Đức đang tiến về phía nam đã tạo điều kiện cho Phương diện quân Tây Nam và Nam tranh thủ được mấy ngày để rút được một nửa lực lượng còn lại sang bờ Đông sông Đông. Trong chiến dịch này, quân đội Liên Xô bị tổn thất lớn với 197.825 người chết và bị bắt, 172.695 người bị thương, chiếm khoảng 3/5 tổng quân số tham chiến ban đầu. Những tổn thất lớn nhất của quân đội Liên Xô thuộc về Phương diện quân Nam trước sức tấn công của Cụm tập đoàn quân A (Đức). Với quân số còn lại chỉ hơn 100.000 người, Phương diện quân này đã không thể phục hồi được và bị giải thể ngày 1 tháng 8 năm 1942.