После выхода на оперативный простор первой жертвой наступающих стали маршевые колонны 87-й стрелковой дивизии полковника А.И.Казарцева с приданным курсантским полком. Бой завязался вне какого-либо оборонительного рубежа, на открытой местности. Дивизия была рассечена надвое и рассеяна, потеряв всю артиллерию и рации батальона связи.
Около 17.00 23 августа танкисты 16-й танковой дивизии Хубе увидели силуэты высоких зданий, элеваторов и трубы заводов. Они вышли к северным пригородам Сталинграда. В это же время на город обрушились пикировщики VIII авиакорпуса Рихтгоффена. Бомбардировка города началась в 16.18 по московскому времени. Сбросив свой смертоносный груз на жилые кварталы и заводские цеха, Ю-87 проносились над головами танкистов, завывая еще не выключенными сиренами. За пикировщиками последовали двухмоторные бомбардировщики Хейнкель-111 и Ю-88. За день летчики Рихтгоффена выполнили более 2 тыс. вылетов. Над городом поднялись столбы огня, дыма и пыли. Из пробитых нефтехранилищ по Волге разлилась горящая нефть, горели пристани и речные суда у них.
Под аккомпанемент ударов с воздуха началась атака города 16-й танковой дивизией. Ее противником стали зенитные орудия 1077-го зенитного артиллерийского полка в районе поселков Латошинка, Акатовка, Рынок. Только что они вели огонь по самолетам, теперь им пришлось поставить свои пушки на прямую наводку и вступить в бой с танками. Танкисты дивизии Хубе в тяжелом бою одну за одной уничтожили 37 позиций зениток. Когда они уже в сумерках ворвались на них, то обнаружили, что их противником были женщины — расчеты сражавшихся до конца орудий были из девушек-зенитчиц. К ночи 16-я танковая дивизия заняла круговую оборону на северной окраине города. Из ярко освещенного пожарами города по ним продолжали стрелять. Теперь они знали, кто стоит у мелькающих вспышками выстрелов зениток.
В ночь на 24 августа на северную окраину города вышел полк 10-й стрелковой дивизии войск НКВД полковника А.А. Сараева. Наибольшей опасности подвергался СТЗ, находившийся в северной части города. Рабочие завода, состоявшие в истребительном батальоне и подразделениях народного ополчения, уже в 17.40 23 августа по боевой тревоге собрались на заводской территории и в ночь на 24 августа заняли оборону на рубеже р. Мечетка фронтом на северо-запад.
Однако основные усилия по удержанию города легли на войска Сталинградского фронта, которые с 23 августа по 2 сентября предприняли ряд контратак с целью окружить и уничтожить прорвавшуюся к Сталинграду группировку. Ставка ВГК уже 23 августа директивой № 170582 потребовала немедленной ликвидации прорвавшегося противника.
С основными силами 6-й армии XIV корпус был связан коридором шириной 8 км и длиной около 60 км. На этот коридор обрушились начавшиеся вечером 23 августа контрудары войск Сталинградского фронта, наносимые из района Самофаловки. Уже утром 24 августа в наступление перешли две стрелковые дивизии 21-й армии и 1-я гвардейская армия. Эти действия советских войск вынудили немецкое командование повернуть основные силы VIII армейского корпуса фронтом на север. Одновременно был организован контрудар 23-го танкового корпуса А.М. Хасина (сводная 189-я танковая бригада — 20 Т-34, 16 Т-60 и Т-70) по правому флангу XIV танкового корпуса. Вследствие этого коммуникации XIV танкового корпуса были прерваны, и занявшие круговую оборону на северной окраине Сталинграда дивизии получали снабжение преимущественно по воздуху. Это не позволяло им развивать наступление в городе, и корпус Виттерсгейма ограничился обороной. Тем самым сам эффект от быстрого прорыва был утрачен и возможность захвата Сталинграда с ходу утрачена. Командир XIV корпуса фон Виттерсгейм предложил Паулюсу отвести корпус от Сталинграда. За это предложение он вскоре был смещен со своего поста. В командование XIV танковым корпусом 14 сентября 1942 г. официально вступил бывший командир 16-й танковой дивизии Ганс-Валентин Хубе.