然而，第6集团军在战役初期，就取得令人满意的战果，使希特勒再次改变了计划。
希特勒认为，攻占斯大林格勒，无需那么多兵力，遂于17日，命令霍特第4装甲集团军，从斯大林格勒方向南下，转隶a集团军群，以支援克莱斯特第1装甲集团军，强渡顿河下游。
这样，斯大林格勒方向的德军进攻部队，就只剩下了保卢斯的第6集团军。
德军的第6集团军，辖有6个军，含2个装甲军，计14个师约27万人，近500辆坦克，3000门火炮和迫击炮，由第4航空队1200架作战飞机进行支援。
由于交通等问题，第6集团军的前进步伐有所放慢，给了苏联红军一定的准备时间。
苏联红军最高统帅部，开始逐渐明确德军的意图，决心在斯大林格勒组织坚守。
7月12日，在西南方的斯大林格勒方面军，有原有基础上，组建了由铁木辛哥元帅为司令员（7月23日起改由戈尔多夫中将接替），由赫鲁晓夫任军事委员会委员的斯大林格勒方面军，担负斯大林格勒方向的防御任务……
苏联红军的支援兵力，也大量地向斯大林格勒集结……
1942年7月17日，苏德双方在斯大林格勒接近地展开了激烈的交战，会战正式开始。
德军第6集团军在保卢斯上将指挥下，以第8步兵军和第14装甲军为北突击集团，以第51步兵军和第24装甲军为南突击集团，突击苏联红军62集团军防御实施包围，向卡拉奇方向发展进攻。
同时，德军以部分兵力向苏联红军第64集团军发起佯攻，以吸引苏联红军的注意力。
7月23日，德军突破苏联红军第62集团军右翼防线，合围了该集团军的2个师，前出到斯大林格勒西面的顿河河岸。1942年7月25日，德军对由苏联红军第64集团军的右翼阵地发起攻击，企图在卡拉奇附近强渡顿河。
1942年7月29日，苏64集团军被迫退过顿河。
斯大林再也按捺不住对年迈的铁木辛哥元帅的失望，撤消了他斯大林格勒方面军司令员的职务，由第64集团军司令戈尔多夫中将接任，并派总参谋长华西列夫斯基上将作为最高统帅部，代表前往斯大林格勒协助指挥战事。
斯大林还决定将预备队的坦克第1和第4集团军火速调往斯大林格勒地域。随后，为了增强斯大林格勒守军的斗志，斯大林于1942年7月28日发布了第227号命令，凡是不服从命令而离开战斗岗位或者撤退的军人都将被枪毙，并严厉要求苏联红军部队“绝对不许后退一步！”
德第6集团军由于缺少装甲兵力的支援，被迫转入防御态势。
德军在行进间占领斯大林格勒的计划被粉碎。
但此时，顿河西岸苏联红军的处境非常困难，两翼都陷入了德军包围。
1942年7月28日，苏联红军从罗斯托夫撤退。
1942年7月30日，希特勒又作了一个影响命运的决定。他宣布：“因为高加索的命运，是将要在斯大林格勒决定，所以由于这个会战的重要性，遂有从a集团军群抽调兵力，以增强b集团军群的必要。”
于是，霍特的第4装甲集团军又归还给b集团军群，并于1942年8月1日奉命沿科捷尔尼科沃——斯大林格勒铁路向东北方向进击，当天迅速突破了苏第51集团军的防线，占领了蒙特纳亚。
1942年8月3日，霍特攻占了科捷尔尼科沃，接着又于5日突破了苏第64集团军的防御，前出到阿勃加涅罗沃地域，但之后遭到了苏联红军越来越顽强的抵抗和反击，霍特只好放弃了独立攻占斯大林格勒的想法，于1942年8月9日转入守势。
1942年8月19日，保卢斯和霍特重新发起了进攻。保卢斯第6集团军从斯大林格勒西北面的特列赫奥斯特罗夫卡亚，向东南攻击，22日突破苏第62集团军在韦尔加奇和彼斯科瓦特卡地段的防线，强渡顿河，占领了卡拉奇。
23日，德军第14装甲军，推进到斯大林格勒北郊的叶尔佐夫卡地域，逼到伏尔加河，将苏第62集团军与斯大林格勒方面军主力分割开来。
霍特第4装甲集团军从南面的阿勃加涅罗沃地区向北进攻，突破了苏第64集团军的防御，29日进至城南的加夫里洛夫卡地域，其前锋已前出到京古塔车站。
1942年9月2日，保卢斯第6集团军右翼与霍特第4装甲集团军左翼，在旧罗加奇克地区取得了联系。
与此同时，德军第4航空队出动飞机几百架，入夜又出动2000架次飞机对斯大林格勒进行狂轰滥炸。
鉴于斯大林格勒异常严峻的形势，斯大林任命朱可夫为最高副统帅，并决定立即调拨第24、第66集团军和近卫第1集团军，开赴斯大林格勒。
1942年9月5日拂晓，朱可夫将3个新锐集团军投入反击，由于准备仓促，反击未达到预期目标。当晚，斯大林命令朱可夫继续冲击。
1942年9月6日，苏联红军再次发动进攻，再次失败。
1942年9月9日，希特勒免去了利斯特元帅的a集团军群司令的职务，由第1装甲集团军司令克莱斯特上将接任，第1装甲集团军司令则由埃贝哈德-冯-马肯森将军继任。
克莱斯特上任后，虽然竭尽全力，也无法再前进一步。因为冲击力丧失的主要原因是缺乏燃油。
1942年9月10日，苏联红军试图从北面实施突击，恢复同第62集团军的联系，又遭到失败。
1942年9月12日，苏联红军撤至市