В результате две немецкие танковые армии вышли к Дону почти одновременно — гигантский бронированный кулак, удар которого пришелся по воздуху. Переправы через Дон русские фактически не обороняли. Войска Южного фронта уже отошли за Дон и закреплялись на рубежах Манычского канала.
23 июля немецкие войска вступили в Ростов, а 25 июля передовые отряды Клейста форсировали Дон. 4-я танковая армия захватила плацдарм на южном берегу Дона в районе Цимлянской 29 июля, но через два дня она получила новый приказ — направить 16-ю моторизованную дивизию на юго-восток в район Элисты, а основными силами наступать в направлении Котельниково, через реку Аксай и ворваться в Сталинград с его незащищенной южной стороны.
Форсировав Дон, танковые корпуса Клейста устремились на юг, 29 июля немцы ворвались в Пролетарскую (конечный рубеж продвижения согласно прежнему плану ОКХ), через два дня вступили в Сальск, где одна танковая колонна повернула на Краснодар, чтобы прикрыть левый фланг 17-й армии, а вторая двинулась прямо на Ставрополь. 7 августа немцы заняли Армавир, а 9 августа — Майкоп.
Но для армии Паулюса, наступавшей на Сталинград по коридору между Доном и Донцом, ситуация складывалась по-иному. Поскольку лишь 14-й танковый корпус Витерсгейма был полностью моторизован, остальные корпуса армии растянулись на многие десятки километров, и перспектив успешно атаковать с марша противника, который решит перейти к жесткой обороне, у нее было немного. 12 июля Ставка Верховного Главнокомандования создала новый, Сталинградский фронт (его командующим 23 июля был назначен генерал-лейтенант В. Н. Гордов) и начала быстро — насколько позволяла железнодорожная сеть — перебрасывать на него подкрепления. В течение трех недель шла гонка, знакомая еще по летним сражениям 1941 года, между спешившими к Сталинграду колоннами немцев и спешно выдвигавшимися и развертывавшимися резервными армиями русских. На этот раз русские опередили немцев, но ненамного.
Генерал В. И. Чуйков, который позднее станет одним из видных советских командиров, которые руководили обороной Сталинграда и своим примером вдохновляли защитников города, в начале июля занимал должность командующего резервной армией, находившейся в районе Тулы. Полученный его 64-й армией приказ о передислокации в район Сталинграда дает наглядное представление о срочности и сложностях переброски четырех стрелковых дивизий и четырех бригад армии к Дону, связанных с прибытием и выгрузкой воинских эшелонов на семи различных железнодорожных станциях и форсированным маршем от 100 до 200 километров по степи на запад к Дону.
Из рассказа Чуйкова также видно, что, помимо необходимости упредить приближавшиеся к Дону дивизии Паулюса, не менее важно было также повысить дисциплину и боевую стойкость отступавших частей Красной Армии. Советская тактика в этот период 1942 года сводилась к отводу войск на новые рубежи, когда противник прорывался на флангах, чтобы избежать дорогостоящих боев в окружении. Но в условиях длительного отступления по горящей родной земле трудно поддерживать дисциплину и боевой дух войск, особенно среди новобранцев и недостаточно обученных и закаленных солдат, из которых в основном состояли в тот период соединения и части Красной Армии. Мужество и героизм, проявленные при обороне Сталинграда, — наилучший критерий возрождения высокого боевого духа и моральной стойкости воинов Красной Армии. Этого буквально за несколько недель сумели добиться такие командиры, как Чуйков, Еременко, Родимцев.
Между 23–29 июля, пока механизированные дивизии Гота бороздили степь в районе Цимлянской, 6-я армия предприняла попытку с ходу ворваться в Сталинград. Незначительное сопротивление, оказываемое до этого отходившими советскими войсками, поощрило Паулюса атаковать своими дивизиями по мере их подхода 62-ю советскую армию, получившую приказ занять оборону по реке Чир и в большой излучине Дона. В результате и подтягивавшиеся немецкие подкрепления, и выдвигавшиеся советские резервы, включая части 64-й армии, вступали в бой по мере их подхода примерно в равной пропорции.
Паулюс, имевший значительное превосходство в танках, бросил в наступление сперва три, затем пять, потом семь пехотных дивизий. Завязалось ожесточенное сражение, проходившее с переменным успехом, в ходе которого русские войска постепенно вытеснялись из большой излучины Дона. Но 6-я армия была столь изрядно потрепана, что у нее уже не хватало сил, чтобы форсировать Дон. Немцы также не сумели очистить от русских войск излучину реки в районе Клетской, что позднее в ноябре привело к катастрофическим последствиям.