随着希特勒一声令下，德国B集团军群转向开始攻击斯大林格勒，围绕斯大林格勒外围防线的战斗迅速进入了白热化阶段。尽管战斗早在1942年7月17日就已经爆发，但真正变成一场绞肉机式的战斗却是从7月23日开始的。希特勒在这一天正式向B集团军群下达了夺取斯大林格勒的命令，而德军也是在这一天突破了苏联第62集团军的右翼防线，合围红军两个师后前出至斯大林格勒西面的顿河河岸。

面对德军的凶猛攻势，苏联红军展开了英勇的抵抗，7月25日苏联第1、第4坦克军与德国第14装甲军爆发激烈冲突，惨烈的战斗一直持续到7月29日才以德国第14装甲军的胜利告终。但不幸的是，虽然德军切断了俄罗斯中部至高加索的最后一条铁路线，但苏联红军却掘开马内奇河的堤坝，洪水淹没了德军控制的顿河下游渡口。这导致了一个非常奇妙的现象，苏联红军在城市外围接近地的战斗中落败后快速向斯大林格勒方向退却，但德国B集团军群却没有高速展开追击，反而有些放任苏军进入城市的味道。

实际上，德国B集团军群的处境远没有表面上那么风光，原因是他们的后勤线是由一条运力低下的铁路线维持的。这条铁路线不足以支撑起整个B集团军群的后勤，B集团军群被迫放缓前进速度来储备物资。而为了保证他们的北翼安全，他们竭尽全力的将仆从国军队调往前线，由于相对善战的罗马尼亚第3集团军无法按时抵达北翼，因此B集团军群不得不抽调更多的德国师来执行此任务。与此同时，他们还让意大利第8集团军与匈牙利第2集团军前出至顿河河岸，以期能够渡过顿河切断斯大林格勒的外围交通线。

但遗憾的是，德国人真的不该对意大利人和匈牙利抱有太高的期望的。苏联斯大林格勒方面军迅速做出反应，第21、第63集团军迅速渡过顿河逼退了意大利第8集团军，而派往位于意大利第8集团军东北方向的匈牙利第2集团军也表现欠佳，他们未能完成扫清苏军桥头堡的任务，未来德军会为这一决定后悔不已。同时，苏联西北方面军和西方面军也发动了一连串攻势，虽然这些攻势是为了阻止德军攻取列宁格勒，但也变相的牵制了德军的预备队，在一定程度上策应了斯大林格勒的战局。

而随着德国B集团军群的物资储备达到一个临界值后，其麾下的德国第6集团军8月23日开始向斯大林格勒方向推进。作为德国精锐的第6集团军确实骁勇善战，其指挥官保卢斯上将也绝非泛泛之辈，8月23日其先头部队就渡过了顿河，抵进至斯大林格勒以北的伏尔加河。同一天里，德国空军首次空袭了斯大林格勒，这预示着德国第6集团军已经逼近了斯大林格勒。8月末，德国第6集团军杀到了斯大林格勒城郊，斯大林格勒战役正式爆发了。

此时斯大林格勒方面军已经拆分为了东南方面军和斯大林格勒方面军，其中东南方面军在斯大林格勒外廓防线南部正面阻击德军的进攻，并阻止德军向城市以南突破伏尔加河。而斯大林格勒方面军则死守斯大林格勒，严防德军前出至伏尔加河与攻陷斯大林格勒。事实证明， 东南方面军成功扛住了德军的攻势，但斯大林格勒方面军因为直面德军的攻势而不得不向后退却。9月13日，斯大林格勒方面军退守至市区围廓，不仅外围防御带全部失守，守卫城市的第62集团军与友邻部队的联系也被切断，德军开始对斯大林格勒城区展开攻击。

苏联红军用于防守斯大林格勒的兵力其实相当有限，基本只有尚在斯大林格勒西岸城区的第64集团军在防守城市，不过因为伏尔加河从斯大林格勒城中通过，因此斯大林格勒方面军仍能获得来自东岸城区的补给。这对于斯大林格勒是不幸中的万幸，确保了斯大林格勒不会被彻底切断对外交通线。而不幸的事情在于，苏联红军为了解斯大林格勒之围，过早的发动了反突击，从9月5日至9月10日，苏联第24、第66和近卫第1集团军连续不断的发起反突击，可惜直至第64集团军在城市接近地被击溃，第62集团军也被割裂在城市里为止都没有取得任何效果，反击行动也不得不停止。

苏联第62集团军的司令官是瓦西里·伊万诺维奇·崔可夫中将，这是一位兼具勇气、毅力与智慧的优秀将领。彼时他的第62集团军只有8个规模较小的师，而进攻斯大林格勒的德国第6集团军和第4装甲集团军却拥有25个师，崔可夫的部队在兵力和火力上都陷入全面劣势。但城市攻防战是巷战环境，崔可夫遂下令让部队“拥抱”德军——城区内的几方战线应尽可能的贴近德军部队，以此迫使德军不敢动用炮兵和空军。

这一措施是行之有效的，第62集团军的官兵与德军展开了逐楼逐屋的争夺战，巷战爆发的第一天就进入到了白热化状态。而对于德军来说这一“野蛮、血腥”的战斗模式是他们极其不适应的，因为苏军的步兵分队采取了近距离作战的策略，德军的炮兵和空军因担忧误伤己方而难以发挥作用。德军的进攻速度大幅度减缓，兵力方面也逐渐捉襟见肘，入城掩护步兵的坦克也损失惨重，苏军官兵只要在建筑高处向下丢反坦克手雷和燃烧瓶就能敲掉坦克，德军的伤亡数字直线上升。

当然了，德军毕竟掌握着火力优势，德国第6集团军司令保卢斯在发现前进遇到阻碍后，遂抽调大量炮兵对城区展开毁灭性的炮击，守城的苏联第62集团军伤亡数字也节节攀升。而作为对德军的回应，苏联红军在9月底至10月初向斯大林格勒西岸增调了6个步兵师和1个坦克旅，用以为伤亡惨重的第62集团军补员。可饶是如此，第62集团军的防线也被德军不断的向河岸压缩，至11月时苏军在斯大林格勒的防御带已经变成了四片在地图上显得单薄无比的桥头堡，前线距离河岸最近的地方只有183米。

但战况到了这一步时，德国第6集团军也束手无策了，苏联统帅部手握大量预备队的做法再一次挽救了战局，源源不断的预备队持续渡河赶来增援。尽管这些增援到西岸的部队面临可怕的伤亡——士兵平均生存时间是24小时，军官平均生存时间3天，可苏联第62集团军就是守住了那已经脆弱无比的防御带，任凭德军如何进攻都不在后退半步。而为了达成这一僵局，德军已经抽调了20万官兵增援第6集团军，其中包括90个炮兵营和40个经受过专业巷战训练的工兵营。

毫无疑问希特勒已经彻底打上头了，他将部队源源不断的投入到斯大林格勒，却把原本的作战计划抛之脑后，且完全不顾及自己的部队已经处于非常危险的境地。斯大林格勒沿顿河上溯至沃罗涅日共长563公里，而德军在这里几无防御兵力可言。这里只有匈牙利第2集团军、意大利第8集团军和罗马尼亚第3集团军防御，战线拉得极长不说，很多地段甚至是一个步兵排防守2公里的防线，整个战线早已是千疮百孔，如果苏联红军发起反击的话，则德军北翼的顿河战线有被瞬间突破的可能。

这一建议被德国陆军两任总参谋长反复告诫，结果是弗朗茨·哈尔德力主放弃作战向西撤退，最后哈尔德反被希特勒撤了职。继任的库尔特·蔡茨勒上将也小心翼翼的指出德军的顿河战线有极大地风险，建议第6集团军向后撤退，希特勒愤怒的表示：“德国士兵到了哪里，哪里就必须守住！”不难看出，希特勒此时已经是彻底发了疯，但他不知道的是苏联红军却是在筹划一次强有力的反击，9月28日时东南方面军就改编为了斯大林格勒方面军，斯大林格勒方面军则改编为顿河方面军，近卫第1集团军也扩编改组为西南方面军，现在红军的反击只差一个时机而已，而冬季的到来则为他们提供了这个机会。