Донским командованием операция планировалась как обширный удар по флангам - на Великокняжескую, для соединения с Добровольческой Армией, и на Красный Яр - Камышин группой генерала Фицхелаурова, призванной обезопасить наступление на Царицын с северо-запада. Группа Мамантова двумя колоннами стремительно продвигалась из района Калача (занят казаками 18 июля) и Нижне-Чирской на Сарепту. В ночь на 21 июля части Мамантова переправились на левый берег Дона, захватили станцию Кривомузгинскую и двинулись к станции Воропоново, расположенной в 15 километрах от Царицына. Стремительной атакой единый красный фронт был рассечен. С ходу казаки прорвали несколько рубежей обороны. 5 августа захватили Сарепту, начали обстреливать Царицын артиллерийским огнем. Несколько дней (со 2 по 7 августа) продолжались ожесточенные бои, доходившие до рукопашных схваток. Вскоре сила казачьего натиска ослабла, и уже 8 августа красные перешли в контратаки. Стало очевидно, что взять с налета Царицын не удастся, и Мамантов отвел полки на исходные позиции за Дон.
Начало второго наступления специально санкционировалось Войсковым Кругом. Части провели перегруппировку, получили помощь оружием и обмундированием. Оправившись от первых неудач, казаки снова двинулись вперед. Мамантовская группа получила сильное и стойкое пополнение из частей Молодой Донской Армии. Как писал в своих воспоминаниях начальник Штаба Донской Армии генерал И. А. Поляков, «для поднятия настроения и дисциплины в расшатавшихся частях Царицынского фронта было решено двинуть на помощь Мамантову небольшую часть этой армии. 1 и 2 Пластунские полки, 2-я Донская казачья дивизия, две тяжелых батареи и саперный батальон были направлены к Царицыну, и доблести этой молодежи, с беззаветным мужеством отдавшей жизнь свою за Родину, главным образом и был обязан ген[ерал] Мамантов быстрым исправлением положения и своими громадными успехами».
Штабом Мамантова был разработан план атаки на город с юго-запада через Железную дорогу Великокняжеская - Царицын, с выходом на Сарепту, и одновременный фланговый удар от Кривомузгинской на Воропоново и Царицын. Вспомогательный удар с северо-запада наносила группа генерала Фицхелаурова. На этот раз казакам Мамантова противостояла выросшая до 50 ООО бойцов X -я армия К. Е. Ворошилова.
Новое наступление началось 9 сентября. Казаки перешли Дон, прорвав Фронт у станции Ляпичево. Мамантов отвлекающим ударом захватил станцию Жутово и перерезал железную дорогу Великокняжеская - Царицын. Одновременно на центральном направлении была занята станция Кривомузгинская. Казачьи полки на этот раз не только захватили Сарепту, но и переправились через Волгу, взяв город Капустин Яр на праздник Покрова Пресвятой Богородицы (1 октября).
Казалось, ничто не могло остановить этого натиска. Бойцы Молодой Армии смело шли навстречу врагу, захватывали орудия, пулеметы и бронепоезда. 2 октября казаки ворвались в пригороды Царицына, но с огромным трудом Х-й армии удалось отбросить белых и на этот раз. Красными был организован мощный артиллерийский кулак из почти всех 180 орудий, и наступавших казаков встретила лавина огня. Внезапно в тыл казакам под Сарептой ударила «Стальная дивизия» Д. П. Жлобы, самовольно ушедшего с Кубани из-за конфликта с Главнокомандующим красными войсками Северного Кавказа И. Л. Сорокиным. 5 октября большевикам удалось отбросить казаков назад к Кривомузгинской, а несколькими днями позже к Гнилоаксайской. Как писал Атаман Краснов, «два раза казачьи части генерала Мамантова подходили к Царицыну, занимали уже Сарепту, и оба раза принуждены были отходить. Не было тяжелой артиллерии, чтобы парировать огонь Царицынских батарей, мало было сил, чтобы преодолеть и взять опутанную проволокой и весьма пересеченную оврагами Царицынскую позицию».
Мамантов снова в первых рядах своих полков. Он лично останавливает дезертиров, с револьвером в руках выгоняет из тыловых составов офицеров-отпускников. Для «поднятия духа» издавались приказы, в которых говорилось о скорой расправе с непокорным городом, где домовитые казаки пополнят свое хозяйство. Мамантов заявлял о близкой помощи союзников, угрожал тем, кто не подчинится и будет оказывать сопротивление. Он всеми силами стремился к победе, которая помогла бы не только его карьере, но и закрепила бы, как тогда казалось, Белую власть на Тихом Дону.