19 июля 3 немецкие пехотные дивизии смяли передовую линию советской обороны и вступили в большую излучину Дона. В тот день на вопрос фюрера, когда будет взят Сталинград, генерал Паулюс ответил, что рассчитывает управиться к 25 июля.
Штаб фронта никаких достоверных сведений о намерениях противника не имел. Так, узнав о том, что какая-то «группа немецких войск» переправляется через Дон у станицы Цимлянской, Тимошенко приказал командующему 64-й армией генералу Гордову силами 66-й морской и 137-й танковой бригад нанести по ней удар. Соответствующий приказ был отдан, но когда танковая бригада стала переходить через мост у станицы Нижнечирской, выяснилось, что он не выдерживает веса средних и тяжелых танков. На поддержку атаки морских пехотинцев отправились 15 легких танков Т-60, именуемых в войсках «трактором с пушкой». Они шли всю ночь, а на рассвете увидели у Цимлянской «группу немецких войск». Это была 4-я танковая армия генерал-полковника Гота. Через полчаса для советских моряков и танкистов все было кончено.
23 июля терпение Сталина лопнуло, и он снял маршала Тимошенко с должности, назначив на его место командующего фронтом генерал-лейтенанта Гордова, по сути, заменив «шило на мыло». Излюбленным методом ведения войны у генерала Гордова были лобовые атаки и неподготовленные контрудары. Впрочем, то же самое можно сказать почти о всех советских военачальниках того времени. По этому поводу Сталин как-то высказался: «Гинденбургов у меня нет».
Н.С. Хрущев так вспоминал Гордова: «… недостаток его заключался в грубости. Он дрался с людьми. Сам очень щупленький человечек, но бьет своих офицеров». Вот такой «полководец» должен был отстоять Сталинград.
Тем временем 6-я немецкая армия продолжала фронтальное наступление на Сталинградском направлении. 27 июля немцы прорвались севернее города Калач к переправам на Дону и начали выходить в тыл всем советским войскам в большой излучине. Начальник советского Генштаба генерал Василевский, прибывший из Москвы для «усиления руководства» в штаб Сталинградского фронта, приказал бросить в бой 1-ю и 4-ю танковые армии (более 700 танков). Их атака не принесла особого успеха, прежде всего из-за плохого руководства и отсутствия должной координации действий между двумя свежеиспеченными армиями.
После 5 августа наступательный порыв советских войск иссяк, и они сами перешли к обороне. И все же ни о каком взятии Сталинграда «с ходу» говорить уже не приходилось, более того, Гитлер был вынужден согласиться на незапланированное усиление 6-й армии, понесшей тяжелые потери. В помощь Паулюсу с юга была переброшена 4-я танковая армия генерала Гота, ударная мощь которой тогда была сильно ослаблена – из ее состава уже были изъяты 2 танковых корпуса и мотодивизия «Великая Германия». Гот с оставшимися у него 48-м танковым и 4-м армейским корпусами перешел в наступление 1 августа. К 10 августа советские войска отошли на левый берег Дона. Получив сведения об очередном отступлении, Сталин сказал генералу Гордову: «Я поражен вашей близорукостью и растерянностью. Сил у вас много, а справиться с положением не хватает у вас хребта».
5 августа Ставка ВГК выделила из состава Сталинградского фронта еще один новый, Юго-Восточный, фронт под командованием генерал-полковника А.И. Еременко, который должен был удержать южные подступы к городу. Генерал Гордов поступил в подчинение генералу Еременко.
В то же время на усиление 6-й немецкой армии был передан из резерва 11-й армейский корпус генерала Штрекера. Также на Дон вышла 8-я итальянская армия. Больше резервов у немцев не было. У советских войск ситуация с резервами была куда более благополучной. 13 августа немцы пошли в новое наступление и 23 августа 6-я армия прорвала советскую оборону. В 16.00 того же дня 16-я танковая дивизия генерала Хубе вышла к Волге севернее Сталинграда.
Немцы приступили к его массированным бомбардировкам. Все деревянные дома сгорели, был уничтожен городской водопровод, повреждены многие здания. Еще 3 месяца немцы ежедневно бомбили Сталинград, так что не осталось ни одной целой постройки.
В северной части города находился тракторный завод, и именно его постарались сразу захватить немецкие танкисты. Их атаку отбили зенитчицы, дивизия НКВД, противотанковый артполк и отряд моряков Волжской флотилии. И все же первые немецкие танки были подбиты не снарядами и не гранатами – это сделали собаки из 28-го отдельного отряда собак – истребителей танков. Собаки, которых во время курса дрессировки кормили только под движущимся танком, немедленно бросались под днище машин, после чего срабатывала штырьковая мина, закрепленная на спине животного. Так удалось подорвать несколько передовых немецких танков. Большего достичь не удалось – немецкие солдаты, завидев любую собаку, тут же открывали по ней огонь и скоро перестреляли всех.
В тот же день советское командование, сосредоточив около 650 танков, атаковало 14-й танковый корпус генерала фон Витерсгейма, пробивший узкий коридор от Дона до Волги. До начала сентября немцы отбивались от атак, получая снабжение в основном по воздуху. 14-й танковый корпус понес большие потери, и Витерсгейм попросил разрешение на отход, но Паулюс запретил ему это делать. Витерсгейм продолжал упорствовать, и тогда Паулюс снял его с должности, заменив генералом Хубе. Генералы и офицеры 6-й армии удивились этому решению, не потому, что Паулюс так поступил с заслуженным командиром – такие случаи на фронте были не редкими, а потому что это сделал именно он. К тому времени Фридрих Паулюс командовал армией почти 9 месяцев и успел заслужить иронические прозвища «наш самый элегантный дворянин» и «благородный господин». До назначения в 6-ю армию он почти всю свою карьеру провел на штабной работе, где его очень уважали за скрупулезность, въедливость и педантизм. Этими качествами Паулюс выделялся даже в немецком Генштабе, где ими трудно было кого-то удивить. Паулюс был одним из авторов плана «Барбаросса», и его высоко ценил фюрер. Всегда и везде появлявшийся в перчатках, Паулюс в любой боевой обстановке каждый день принимал ванну и менял одежду дважды в сутки. Никто никогда не слышал его крика, он очень не любил конфликты и считался всеми чересчур мягким человеком, которому не хватает решительности и темперамента. Именно поэтому снятие Витерсгейма было воспринято с таким удивлением.
29 августа армия Гота, сломив сопротивление 64-й армии, подошла вплотную к городу. Сталинград бомбили с утра до вечера. Нефть из подожженных хранилищ горела на поверхности Волги, в городе была паника. До 23 августа советское командование запрещало эвакуацию мирного населения и стало вывозить людей уже под бомбами немецких самолетов. До 14 сентября удалось вывезти около 300 000 жителей, но более 150 000 человек, в основном женщины и дети, так и остались в городе. С августа по октябрь во время городских боев погибло почти 45 000 мирных жителей.
Все же 5 сентября Жуков по приказу Сталина начал наступление к северу и северо-западу от Сталинграда силами 1-й гвардейской, 24-й и 66-й армий, стремясь фланговым ударом разгромить немецкие войска, достигшие Волги, соединиться с остатками 62-й армии и восстановить общую линию обороны с Юго-Восточным фронтом. Под непрерывными бомбежками советские войска 10 дней вели лобовые атаки на немецкие позиции. Результата достичь не удалось, а войска понесли тяжелейшие потери, лишившись почти всех танков. Жуков еще 12 сентября доложил Сталину, что «удалось облегчить положение Сталинграда, который без этого удара был бы взят противником», и уехал в Москву.