К началу сентября на фронте немецкого 14-го танкового корпуса в промежутке между Доном и Волгой советское командование сосредоточило 1-ю гвардейскую армию генерала Москаленко. Первоначально она предназначалась для контрудара по 6-й армии в большой излучине Дона, но, когда немцы прорвались к Волге, подразделение в составе 6 стрелковых дивизий, 3 танковых корпусов, 6 полков «Катюш» и других частей было по балкам и пустошам переброшено в район Котлубань – Ерзовка. Кроме того, в тот же район подтягивалась «свежая» 66-я армия генерала Малиновского в составе 6 стрелковых дивизий и 4 танковых бригад. Если учесть, что в этом же секторе по-прежнему находилась и 4-я танковая армия (правда, самих танков в ней практически не осталось), и там же формировалась 24-я армия (на 1 сентября 5 стрелковых дивизий), получается, что фактически против одного танкового корпуса немцев было сосредоточено 4 армии: 22 стрелковые дивизии, 3 танковых корпуса и 7 отдельных танковых бригад! В этой группировке насчитывалось 200 000 человек, 748 танков (в том числе 430 исправных), 1900 орудий, 3500 минометов, 27 345 лошадей, 4600 автомобилей. Большая часть из имевшейся у Сталинградского фронта бронетехники была в составе 1-й гвардейской и 66-й армий.
Первоначально Еременко хотел начать наступление утром 5 сентября, когда большая часть новых подразделений закончит сосредоточение. Однако в подготовку операции вмешался Сталин. Вождь очень нервничал и опасался, что Сталинград будет захвачен в ближайшие дни. В ночь на 3 сентября он позвонил представителю Ставки Георгию Жукову и потребовал начать атаку немедленно. А потом позвонил еще раз. В итоге вместо мощной атаки всеми имеющимися силами получилась серия последовательных ударов разрозненными боевыми группами.
Первой в 05.30 3 сентября перешла в наступление 1-я гвардейская армия. Атака предварялась мощными залпами реактивных минометов, от которых части 3-й моторизованной дивизии понесли серьезные потери.
Хотя с раннего утра над линией фронта появились немецкие штурмовики, в 11.30 (по московскому времени) штаб 6-й армии попросил VIII авиакорпус отправить в этот сектор еще одну группу «Штук». И уже через два часа штаб 14-го танкового корпуса доложил, что прорыв у пункта 416 и высоты 111,1 успешно ликвидирован при «очень хорошей поддержке люфтваффе». Рихтхофен дважды вылетал в этот сектор на своем «Шторьхе» и лично наблюдал за воздушными атаками своих подчиненных. В 17.50 самолет-разведчик (какой?) из NAGr.4 пролетел над местом сражения и сообщил, что точно западнее пункта 416 немецкие танки ведут бой с советскими.
Штаб 14-го танкового корпуса узнал о готовящемся наступлении и направлениях атак заранее, от перебежчиков. При этом русские были уверены, что после ожесточенных сражений, произошедших в конце августа, немецкие дивизии значительно ослаблены, в реальности же в 16-й танковой, 3-й и 60-й моторизованных дивизиях к этому моменту насчитывалось 134 танка, в том числе 90 Pz.III, 27 Pz.IV и 17 Pz. II.
На рассвете 4 сентября немецкая артиллерия открыла шквальный огонь по советским войскам, готовившимся к продолжению наступления. Обстрел продолжался до 07.00, одновременно передний край бомбили и обстреливали штурмовики и бомбардировщики. В результате атака снова сорвалась.