Пока длилась весенняя распутица, немцы разработали план летнего наступления 1942 года, получивший кодовое название Fall Blau — «Синий вариант». Изначальной целью германского удара были нефтяные промыслы Грозного и Баку с возможностью дальнейшего развития наступления на Персию. Перед развёртыванием этого наступления немцы собирались срезать Барвенковский выступ — крупный плацдарм, захваченный Красной армией на западном берегу реки Северский Донец.

Советское командование, в свою очередь, также собиралось вести летнее наступление в зоне Брянского, Южного и Юго-Западного фронтов. К сожалению, несмотря на то, что Красная армия первой нанесла удар и поначалу немецкие войска удалось оттеснить почти к Харькову, немцы сумели повернуть ситуацию в свою пользу и нанести крупное поражение советским войскам. На участке Южного и Юго-Западного фронтов оборона была ослаблена до предела, и 28 июня 4-я танковая армия Германа Гота прорвалась между Курском и Харьковом. Немцы вышли к Дону.

Немногим позже, ближе к концу июля, в состав группы армий «Б» была передана 4-я танковая армия Германа Гота, включавшая в себя на 1 июля 1942 года 5-й, 7-й и 9-й армейские и 46-й моторизованный корпуса. В состав последнего входила 2-я танковая дивизия СС «Дас Райх».

Наступление немецких войск началось 17 июля 1942 года. В этот день авангарды 6-й армии вермахта вступили в бой с частями 62-й армии на реке Чир и в районе хутора Пронин. К 22 июля немцы оттеснили советские войска почти на 70 километров, к главному рубежу обороны Сталинграда. Немецкое командование, рассчитывавшее взять город с хода, решило окружить красноармейские части у станиц Клетская и Суворовская, захватить переправы через Дон и без остановки развивать наступление на Сталинград. С этой целью были созданы две ударные группы, наступавшие с севера и юга. Северная группа формировалась из частей 6-й армии, южная — из подразделений 4-й танковой армии.

Северная группировка, нанеся удар 23 июля, прорвала фронт обороны 62-й армии и окружила две её стрелковые дивизии и танковую бригаду. К 26 июля передовые части немцев вышли к Дону. Командование Сталинградского фронта организовало контрудар, в котором принимали участие подвижные соединения резерва фронта, а также ещё не закончившие формирование 1-я и 4-я танковые армии. Танковые армии были новой штатной структурой в составе Красной армии. Неясно, кто именно выдвинул идею их формирования, но в документах первым эту мысль озвучил перед Сталиным начальник Главного автобронетанкового управления Я. Н. Федоренко. В том виде, в котором танковые армии задумывались, они просуществовали достаточно недолго, впоследствии претерпев серьёзную реструктуризацию. Но то, что именно под Сталинградом появилась такая штатная единица, — это факт. 1-я танковая армия наносила удар из района Калача 25 июля, а 4-я — от станиц Трёхостровская и Качалинская 27 июля.

Несмотря на то что новые части вступали в бой с хода и от этого их боевые возможности страдали, к указанной дате Красной армии удалось потеснить немцев и даже создать угрозу их окружения. К сожалению, гитлеровцы успели ввести в бой свежие силы и оказать помощь группировке. После этого бои разгорелись ещё жарче.

28 июля 1942 года произошло ещё одно событие, которое нельзя оставить за кадром. В этот день был принят знаменитый Приказ Народного комиссара обороны СССР № 227, известный также как «Ни шагу назад!». Он существенно ужесточал наказания за несанкционированное отступление с поля боя, вводил штрафные подразделения для провинившихся бойцов и командиров, а также вводил заградительные отряды — специальные части, которые занимались задержанием дезертиров и возвращением их в строй. Этот документ, при всей его жёсткости, был принят в войсках достаточно позитивно и действительно уменьшил количество дисциплинарных нарушений в воинских частях.

К 16 августа войска Сталинградского фронта отошли за Дон и заняли оборону на внешнем рубеже городских укреплений. 17 августа немцы возобновили натиск и к 20-му числу сумели захватить переправы, а также плацдарм в районе населённого пункта Вертячий. Попытки отбросить или уничтожить их успеха не имели. 23 августа немецкая группировка при поддержке авиации прорвала фронт обороны 62-й и 4-й танковой армий и передовыми частями вышла к Волге.

В этот день немецкие самолёты совершили около 2000 вылетов. Многие кварталы города оказались в руинах, пылали нефтехранилища, погибло около 40 тысяч мирных жителей. Противник прорвался до линии Рынок — Орловка — Гумрак — Песчанка. Борьба перешла под стены Сталинграда.

13 сентября в непосредственной близости от города находились шесть пехотных, три танковые и две моторизованные дивизии немцев. До 18 сентября шли жестокие бои в центральной и южной частях города. Южнее железнодорожного вокзала натиск противника удавалось сдерживать, однако в центре немцы вытеснили советские войска вплоть до оврага Крутой.

Понимая, что в центре города успеха добиться не получается, немцы сосредоточили войска южнее для удара в восточном направлении, к Мамаеву Кургану и посёлку Красный Октябрь. 27 сентября советские войска начали атаку на упреждение, работая мелкими пехотными группами, вооружёнными ручными пулемётами, бутылками с горючей смесью и противотанковыми ружьями. Ожесточённые бои продолжались с 27 сентября по 4 октября. Это были те самые сталинградские городские бои, от рассказов о которых стынет кровь в жилах даже у человека с крепкими нервами. Здесь шли сражения не за улицы и кварталы, порой даже не за целые дома, а за отдельные этажи и комнаты.

Орудия били прямой наводкой почти в упор, в ход шла зажигательная смесь, огонь с малых дистанций. Рукопашные схватки стали обыденным явлением, как в средние века, когда на бранном поле правило бал холодное оружие. За неделю непрерывных боёв немцы продвинулись на 400 метров. Воевать приходилось даже тем, кто для этого не предназначен: строителям, солдатам понтонных частей. Гитлеровцы понемногу начинали выдыхаться. Такие же отчаянные и кровавые схватки кипели у завода «Баррикады», у селения Орловка, на окраинах завода «Силикат».

В начале октября территории, которые занимала Красная армия в Сталинграде, настолько уменьшились, что насквозь простреливались пулемётным и артиллерийским огнём. Обеспечение сражавшихся войск осуществлялось с противоположного берега Волги с помощью буквально всего, что могло плавать: катеров, пароходов, лодок. Немецкая авиация непрерывно бомбила переправы, делая эту задачу ещё более сложной.

И пока бойцы 62-й армии сковывали и перемалывали в боях войска противника, Верховное Командование уже готовило планы большой наступательной операции, направленной на уничтожение сталинградской группировки гитлеровцев.