23 августа был самый жестокий налет 4-го воздушного флота генерала барона Вольфрама фон Рихтгофена на Сталинград. Деревянные пригороды Сталинграда сгорели почти полностью. Многие многоэтажные здания оказались разрушены. Зажигательные бомбы подожгли цистерны с горючим на берегу Волги, и весь Сталинград заволокло черным дымом. Люфтваффе совершили около 1500 самолето-вылетов, сбросили одну тысячу тонн бомб и потеряли всего два самолета. В Сталинграде во время этого и нескольких последующих налетов погибло около 40 тыс. мирных жителей. Были выведены из строя основные заводы и коммуникации.
23 августа немецкий 14-й танковый корпус прорвался в район Вертячего и, рассекая сталинградскую оборону на две части, вышел в район Рынка. В 4 часа 25 августа танковый полк 16-й танковой дивизии вышел к Волге. 62-я армия оказалась отрезанной от основных сил Сталинградского фронта, поэтому ее передали Юго-Восточному фронту. Утром 24 августа войска Сталинградского фронта атаковали с севера 14-й танковый корпус, который в результате оказался отрезанным от своих тылов и несколько дней получал снабжение по воздуху.
На Сталинград после взятия Ростова были также брошены основные силы 4-й танковой армии Гота, оставившей на Кавказе только один танковый корпус.
К 30 августа войска Юго-Восточного фронта под давлением превосходящих сил противника отошли на внешний обвод обороны Сталинграда. Город защищали 62-я армия генерала Василия Чуйкова и 64-я армия генерала Михаила Шумилова, занимавшие позиции по линии Рынок – Орловка – Гумрак – Песчанка – Ивановка. 31 августа танки 28-го танкового корпуса 4-й немецкой танковой армии перерезали железную дорогу Сталинград – Морозовск.
Тем временем Ставка передала Сталинградскому фронту 24-ю, 1-ю гвардейскую, 66-ю армии, которые должны были контрударом разгромить немецкий 28-й танковый корпус и соединиться с советскими войсками в Сталинграде. 1-я гвардейская армия генерала Кирилла Москаленко атаковала 3 сентября, 24-я и 66-я – 5 и 6 сентября, но потерпели неудачу. Войска вводились прямо с колес, не зная точного расположения немецких позиций. 11 сентября наступление, стоившее больших потерь советским войскам, было прекращено. Одной из причин неудачи стала нехватка артиллерийских снарядов. Но эти атаки отвлекли часть немецких сил от Сталинграда и не позволили армии Паулюса быстро взять город.
10 сентября 62-я армия отошла в город. Ее дивизии были отрезаны от 64-й армии, которая сражалась на юге. К 13 сентября немцы заняли западные окраины города, аэропорт и казармы, вышли к железнодорожному вокзалу. В воздухе безраздельно господствовали Люфтваффе. Немцы применяли в боях за Сталинград тактику штурмовых групп, которую к концу сентября у них переняли оборонявшиеся советские войска. Генерал Василий Чуйков вспоминал: «Штурмовая группа состояла обычно из взвода или роты пехоты (от 20 до 50 стрелков) (50 стрелков – это скорее два взвода, а не рота. –
Последний, четвертый, генеральный штурм Сталинграда начался 11 ноября. Немецким войскам удалось захватить южную часть территории завода «Баррикады» и на узком участке в 600 м пробиться к Волге в районе завода «Баррикады». 62-я армия оказалась рассеченной на три части. Основные ее силы обороняли территорию завода «Красный Октябрь». Штурм был прекращен после начала советского контрнаступления 19 ноября.
6-я армия достигла берега Волги в самом Сталинграде, захватив 90 % территории превращенного в руины города и разрезав советские войска на две части.
И немецкие, и советские войска во время сражения за Сталинград постоянно усиливались. Так, с 23 июля по 1 октября сюда прибыли 55 стрелковых дивизий, 9 стрелковых бригад, 7 танковых корпусов и 30 отдельных танковых бригад. Немецкое командование, в свою очередь, вынуждено было перенацелить на Сталинград основные силы 4-й танковой армии.