Первоначально предполагалось, что сначала 6-я и 4-я танковые армии будут вместе наступать на Сталинград, и только после его захвата должно было последовать наступление на Ростов-на-Дону с дальнейшим прорывом на Кавказ. Однако Гитлер, вопреки советам Гальдера, сразу же направил 4-ю танковую армию на юг, к Ростову, да еще усилил ее 40-м танковым корпусом, взятым у 6-й армии генерала Фридриха Паулюса. Последняя в результате не смогла овладеть Сталинградом с ходу. Уничтожить же советские войска в междуречье Дона и Северского Донца не удалось, поскольку советское командование стремилось избежать окружения и в ряде случаев сумело оперативно отвести свои войска, значительная часть которых отступила именно к Сталинграду, куда также выдвигались советские резервы. Игнорировать подобную группировку советских войск германское командование не могло.
Директивой от 23 июля 1942 года Гитлер санкционировал проведение операции «Брауншвейг». Теперь уже группа армий «А» должна была уничтожить советские войска, отошедшие за Дон южнее и юго-восточнее Ростова, а затем овладеть Кавказом. Группа армий «Б» должна была разбить советские войска в районе Сталинграда и овладеть городом. Между двумя группами армий получался большой разрыв, прикрытый лишь слабыми румынскими войсками.
9 августа 1942 года Ставка подчинила командованию Юго-Восточного фронта Сталинградский фронт и Волжскую военную флотилию. Командовать Юго-Восточным фронтом был назначен генерал Андрей Еременко.
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 самолетовылетов, 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.