Вновь получив в свое распоряжение подвижные соединения, Ф.Паулюс решил пробиться к Сталинграду самым простым и многократно проверенным способом: окружением и разгромом оборонявшихся на дальних подступах к городу соединений. Окружать предполагалось классическими «каннами». Соответственно северную ударную группировку составили XIV танковый корпус генерала пехоты фон Виттерсгейма (16-я танковая, 3-я и 60-я моторизованные дивизии) и VIII армейский корпус генерала артиллерии Хейца (384, 305, 389-я и 376-я пехотные дивизии). Южную ударную группировку составили LI армейский корпус генерала артиллерии фон Зейдлиц-Курцбаха (пробивший в марте коридор к Демянску) и XXIV танковый корпус (первоначально только 16-я и 295-я пехотные дивизии).

Для концентрации сил на Сталинградском направлении в группу армий «Б» из группы армий «А» была передана 8-я итальянская армия в составе шести пехотных дивизий, одной пехотной и одной кавалерийской бригад. Эта армия должна была выйти на Дон и развернуться по его правому берегу на участке от Павловска до Вешенской, освободив этим самым все силы 6-й немецкой армии для наступления на Сталинград.

С воздуха наступление 6-й и 4-й танковых армий на Сталинград поддерживалось основными силами 4-го воздушного флота. На этом же направлении действовал VIII авиационный корпус Вольфрама фон Рихтгоффена, то есть наступающие на Сталинград армии получили в свое распоряжение самое мощное авиасоединение Люфтваффе на Восточном фронте. Корпус Рихтгоффена перебрался в конце июля на аэродромы в районе Тацинской и Обливской.

Оборонительное сражение советских войск под Сталинградом началось 17 июля 1942 г. на рубеже р. Чир боями передовых отрядов 62-й армии, которые к 22 июля отошли на основной рубеж обороны.

Первый действительно серьезный удар последовал 23 июля, когда XIV танковый и VIII армейский корпуса армии Ф.Паулюса вышли на рубеж Клетская, Слепихин и атаковали войска правого фланга 62-й армии. Их целью было прорваться к Дону и захватить переправы через реку у Калача и Логовского. Развернутые на правом фланге 62-й армии 33-я гвардейская, 192-я и 184-я стрелковые дивизии, усиленные несколькими танковыми батальонами, и выдвинутая на поддержку им 40-я танковая бригада не смогли отразить атаки наступавших в первом эшелоне пяти немецких дивизий (одной танковой, двух моторизованных и двух пехотных). Подвижные соединения противника прорвались в оперативную глубину в полосе 62-й армии и в результате трехдневных упорных боев к исходу 25 июля выдвинулись на правый берег Дона в районе Каменского, глубоко охватив с севера войска левого фланга 62-й армии. В окружение попали 192-я и 184-я стрелковые дивизии и 40-я танковая бригада.

Для разгрома группировки противника, прорвавшейся к Дону, и предотвращения окружения 62-й армии в бой были брошены 1-я и 4-я танковые армии, еще не закончившие своего формирования. Однако 23 июля XIV танковый корпус вышел к Дону в районе Каменского. 25 июля он повернул к Калачу. Тем самым создавалась угроза отсечения 62-й армии от переправ через Дон. Также корпус мог форсировать Дон у Калача и попытаться захватить Сталинград с ходу. Поэтому уже 25 июня 1-я танковая армия нанесла контрудар силами 28-го танкового корпуса из района Калача в северо-западном направлении. Этим наступлением удалось отбросить немецкие войска от Калача.

Повторение наступления 28-го танкового корпуса на следующий день, 26 июля 1942 г., натолкнулось на перешедшую к обороне и выставившую на прямую наводку 88-мм зенитки 16-ю танковую дивизию немцев. В тот же день в штаб 1-й танковой армии приехал А.М.Василевский и поставил задачу 27 июля наступать на Верхнюю Бузиновку и далее на Клетскую. С севера на Бузиновку должна была наступать 4-я танковая армия В.Д.Крюченкина. Однако 27 июля к наступлению был готов к контрудару только один танковый батальон 176-й танковой бригады 22-го танкового корпуса. Поэтому 27 июля армия К.С.Москаленко продолжала сражаться с прорвавшимися к Дону частями XIV танкового корпуса в одиночестве. Контрудар, предпринятый 27 июля частью сил 21-й армии с севера на Клетскую, успеха не имел.