Теперь наступление на Сталинград приходилось вести фронтально и, разумеется, при значительно менее благоприятной оперативной обстановке. С самого начала это наступление не имело никаких перспектив на успех. Лишь после упорных боев 21 августа немцам удалось захватить в районе Калача, на левом берегу Дона, небольшой плацдарм. С этого плацдарма войска продолжили наступление уже на узком фронте и вскоре подошли к западной окраине Сталинграда.
В первое время потери, которые несла 6-я армия в этих боях, удавалось восполнять за счет тех немецких частей, которые обеспечивали левый фланг наступавшей группировки и которых постепенно сменяли прибывавшие на их место румынские, итальянские и венгерские войска. В ходе этой смены 8-я итальянская армия, примыкая своим правым флангом к 3-й румынской армии, 7 дивизиями заняла фронт по реке Дону до Новой Калитвы. Севернее нее заняла оборону 2-я венгерская армия, которая в районе южнее Воронежа соприкасалась с правым флангом 2-й немецкой армии. Первоначально планировалось, что до тех пор, пока союзные войска не привыкнут к условиям ведения боевых действий на Востоке, в тылу их будут находиться крупные резервы немецких войск. Однако развитие событий под Сталинградом постоянно требовало сокращения этих резервов. Вскоре русские усилили свой нажим на участках фронта, занятых войсками румын, итальянцев и венгров. Противнику удалось значительно вклиниться в их оборону, и хотя прорвавшиеся силы русских были в основном уничтожены, однако эти бои показали, что еще более сильного нажима со стороны русских этот фронт не выдержит.
Тем временем под Сталинградом в ходе упорнейших боев немцам удалось охватить город с запада и севера и одновременно с целью обеспечения фланга значительно продвинуться между Доном и Волгой на север. Здесь они заняли оборону на рубеже Дубовка — Качалино, в результате чего противник был лишен возможности оказывать с севера какое-либо влияние на ход боев за город. Часть войск 4-й танковой армии совместно с румынскими частями приблизились к городу с юга и взяли его в «клещи».
Началась борьба за город, длившаяся почти два месяца. Каждое здание, каждое промышленное предприятие было превращено русскими в крепость. Это была поистине титаническая борьба человека против человека, в которой немецкие гренадеры и саперы, располагавшие всеми современными боевыми средствами, медленно прокладывали себе в уличных боях путь через город.
Такие крупные заводы, как завод им. Дзержинского, «Красные баррикады» и «Красный Октябрь», приходилось штурмовать порознь в течение многих дней.
Город превратился в море огня, дыма, пыли и развалин. Он поглощал потоки немецкой и русской крови, постепенно превращаясь в Верден Второй мировой войны. Подстегиваемые приказами Тимошенко и Сталина, русские сражались с фанатическим упорством. Не успевала немецкая артиллерия и авиация разрушить переправы через Волгу, как русские немедленно восстанавливали их, ни на минуту не прекращая снабжать своих бойцов и пополнять ряды защитников города, сражавшихся на его развалинах. Крупные силы русской артиллерии поддерживали своим огнем действия пехоты с восточного берега реки. После того как немцы ввели в бой специальные штурмовые части, было предпринято еще одно героическое усилие, в результате которого немцам удалось продвинуться и к концу октября овладеть почти всем городом. В результате выхода немецких войск к Волге движение по реке было в основном парализовано, что серьезно затруднило снабжение русских частей, продолжавших оборонять город.
Потери с обеих сторон были огромны. Стоил ли достигнутый успех подобных жертв, можно было решить лишь в том случае, если бы его удалось закрепить и использовать в оперативных целях.