Одновременно с наступлением на юге, немецкие войска рвались к Волге, чтобы овладеть Сталинградом, а тем самым лишить Советский Союз южных путей сообщения с нашими союзниками по антигитлеровской коалиции и нефтяными районами Кавказа.
К середине июля, отбросив наши войска за Дон от Воронежа, войска противника завязали бой в большой излучине Дона. Необходимо было преградить путь немцам к Волге. Преобразовав Юго-Западный фронт, Ставка создала новые, Сталинградский и Юго-Восточный фронт. Командующим Сталинградским фронтом был назначен генерал-лейтенант В. Н. Гордов, Юго-восточным - генерал-полковник А.И. Еременко, позднее он возглавил и Сталинградский фронт.
Из состава Юго-Западного фронта Сталинградскому фронту были переданы ряд уцелевших армий, а также Волжская военная флотилия.
На подступах к Сталинграду развернулась подготовка оборонительных и укрепленных рубежей. Как и при обороне Москвы, многие тысячи жителей вышли на их строительство и самоотверженно готовили город к обороне. Создавались народные ополчения, рабочие отряды самообороны; производства для нужд фронта, эвакуировали женщин, детей, стариков, вывозили государственные ценности.
Сталинградский фронт к 17 июля занял следующую линию обороны: Павловск-на-Дону, далее по левому берегу Дона до Серафимовича затем Клетская, Суровимино до Верхне-Курмоярской. Эту дату можно считать началом битвы за Сталинград. В этот день передовые отряды 62-й армии, которой командовал генерал В. Я. Колпакчи, вступили в ожесточенные бои с передовыми частями противника в излучине Дона у реки Чир, еще пока на дальних подступах к Сталинграду.
К концу июля в состав Сталинградского фронта входило 38 дивизий. Только 18 из них имели полный состав, 6 имели от 2,5 до 4 тысяч человек, а 14 – от 300 до 1000 человек. Этими малочисленными войсками пришлось развернуться на 530-километровом фронте. Всего в составе фронта насчитывалось 187 тысяч человек, 360 танков, 337 самолетов, 7900 орудий и минометов.
Против фронта неприятель сосредоточил 250 тысяч человек, около 740 танков, 1200 самолетов, 7500 орудий и минометов. Таким образом, соотношение сил составляло: по людям – 1,4:1, по орудиям и минометам – 1:1, по танкам – 2:1, по самолетам – 3,5:1 в пользу противника.
В дальнейшем из-за упорного сопротивления наших войск на подступах к городу противник вынужден был перебросить с кавказского направления 4-ю танковую армию и дополнительно развернуть часть сил других армий.
Главные силы 6-й армии Паулюса и 4-й танковой армии Гота нацелились на Сталинград. В их состав входило окружение войск Сталинградского и Юго-Восточного фронтов и выход к Волге.
21 августа танки Гота вклинились между 64-й и 57-й армиями на 15 километров. Создалась угроза прорыва Гота с юга к Сталинграду.
Командующий А. И. Еременко перебросил на угрожаемый участок четыре истребительных противотанковых артиллерийских полка и 56-ю танковую бригаду. Эти части помогли остановить наступление Гота, но их переброска ослабила оборону 62-й и 4-й танковой армий, в стыке которых 6-я армия Паулюса подготовилась к наступлению на Сталинград с запада.
23 августа 1942 года противнику удалось прорвать оборону 62-й армии на участке Вертячий, Песковатка. В образовавшийся прорыв ринулись немецкие пехотные, моторизированные и танковые дивизии. Им удалось выйти к Волге севернее поселка Рынок. 62-я армия была отрезана от основных сил Сталинградского фронта, вследствие чего ее передали в состав Юго-Восточного фронта. Это был самый драматический день города. Чтобы вызвать панику и ворваться в город, днем 23 августа немцы бросили на город армаду бомбардировщиков. За день было совершено около двух тысяч бомбардировочных вылетов. Огромный город, протянувшийся на 50 километров вдоль Волги, был объят пламенем многочисленных пожаров. Горе и смерть вошли в тысячи семей. Огнем воздушной артиллерии было сбито 120 самолетов противника. Бомбардировка продолжалась до темноты.
Утром 24 августа противник перешел в наступление на Тракторный завод, но безуспешно. Началась многомесячная оборона города и бои за его освобождение.
