Операция «Блау» началась наступлением группы армий «Юг» на войска Брянского фронта севернее и войска Юго-Западного южнее Воронежа. Стоит отметить, что несмотря на двухмесячный перерыв в активных боевых действиях войск Брянского фронта результат оказался не менее катастрофичным, чем для потрепанных майскими боями войск Юго-Западного Фронта. В первый же день операции оба советских фронта были прорваны на десятки километров и немцы устремились к Дону. Советские войска могли противопоставить немецким только слабое сопротивление в громадных пустынных степях, а потом и вовсе стали стекаться на восток в полнейшем беспорядке. Завершились полным провалом и попытки заново сформировать оборону, когда немецкие подразделения вышли на советские оборонительные позиции с фланга. Несколько дивизий Красной Армии в середине июля попали в котел на юге Воронежской области в районе села Миллерово

Тем временем 2-я венгерская и 4-я танковая армии начали атаку на Воронеж, захватив город 5 июля.

Первоначальное наступление 6-й армии было настолько успешным, что Гитлер вмешался вновь, приказав 4-й танковой армии присоединиться к группе армий «Юг» (А). В результате образовалась огромная «пробка», когда 4-й и 6-й армиям потребовалось в зоне действий несколько дорог. Обе армии намертво застряли, причём задержка оказалась довольно долгой и замедлила наступление немцев на одну неделю. С замедленым наступлением Гитлер поменял своё мнение и переназначил цель 4-й танковой армии обратно на Сталинградское направление.

К концу июля немцы оттеснили советские войска за Дон. Линия обороны протянулась на сотни километров с севера на юг вдоль Дона. Чтобы организовать оборону вдоль реки, немцам пришлось использовать помимо своей 2-й армии, армии своих итальянских, венгерских и румынских союзников. 6-я армия была всего лишь в нескольких десятках километров от Сталинграда, и 4-я танковая, находясь на юге от него, повернула на север чтобы помочь взять город. Южнее группа армий «Юг» (А) продолжала углубляться дальше на Кавказ, но её наступление замедлилось. Группа армий «Юг» А была слишком далеко на юге и не могла обеспечить поддержку группе армий «Юг» Б на севере.

Теперь же немецкие намерения стали совершенно ясны советскому командованию, поэтому уже в июле оно разработало планы по обороне Сталинграда. Советские войска продолжали двигаться на восток до того, как немцам было приказано атаковать Сталинград. Восточной границей Сталинграда была река Волга, и на другой стороне реки были развёрнуты дополнительные советские войска. Это соединение подразделений было переоформлено в 62-ю армию под командованием Василия Чуйкова, задачей которой стала защита Сталинграда любой ценой.

Сталин не дал разрешение на эвакуацию жителей города . Все граждане, включая женщин и детей, работали над постройкой траншей и защитных фортификаций. Массированная немецкая бомбардировка 23 августа вызвала разрушила город, убив тысячи мирных жителей и превратив Сталинград в громадную территорию, заваленную камнями и заставленную горящими руинами . Восемьдесят процентов жизненного пространства в городе было уничтожено. Бремя начальной борьбы за город пало на 1077-й противовоздушный полк: подразделение, укомплектованное, главным образом, из молодых женщин-добровольцев, не имевших опыта по уничтожению наземных целей. Несмотря на это и без должной поддержки, доступной от других советских подразделений, противовоздушные стрелки оставались на своих местах и открывали огонь по наступающим вражеским танкам. 16-я танковая дивизия, как сообщают, вынуждена была бороться со стрелками 1077-го полка лицом к лицу, пока все 37 батарей ПВО не были уничтожены или захвачены. К концу августа группа армий «Юг» (Б) наконец-то достигла Волги к северу от Сталинграда. Также следовало ещё одно наступление к реке на юге от города. На начальном этапе советская оборона надеялась в значительной степени на «Народное ополчение рабочих», набранное из рабочих, не втянутых в военное производство. Танки продолжали строиться и укомплектовывались добровольными экипажами, состоявших из работников заводов, в том числе, женщин. Техника сразу же отправлялась с конвейеров заводов на линию фронта, часто даже без покраски и без установленного прицельного оборудования.

К 1 сентября 1942 года советское командование могло обеспечить свои войска в Сталинграде только рискованными переправами через Волгу. Посреди развалин уже разрушенного города советская 62-я армия соорудила оборонительные позиции с расположенными огневым точками в зданиях и на заводах. Сражение в городе было жестоким и отчаянным. Приказ Сталина №227 от 28 июля 1942 года указывал, что все те, кто отступил или сдал позиции врагу без приказа сверху будут расстреляны без малейшего промедления. «Ни шагу назад!»— вот был призыв. Немцы, продвигаясь вглубь Сталинграда, понесли тяжёлые потери. Советские подкрепления переправлялись через Волгу с восточного берега под постоянной бомбардировкой немецкой артиллерии и самолётов. Средняя продолжительность жизни новоприбывшего советского рядового в городе падала иногда ниже двадцати четырех часов. Немецкая военная доктрина была основана на взаимодействии родов войск вообще и особо тесном взаимодействии пехоты, саперов, артиллерии и пикирующих бомбардировщиков. Чтобы противостоять этому, советское командование решило пойти на простой шаг— постоянно держать фронтовые линии настолько близко к противнику, насколько это физически возможно (как правило не более 30 метров). Таким образом, немецкой пехоте приходилось сражаться, полагаясь на себя самих, или подвергаться опасности быть убитыми своей же артиллерией и горизонтальными бомбардировщиками, поддержка была возможно только от пикировщиков. Мучительная борьба шла за каждую улицу, каждый завод, каждый дом, подвал или лестничный проход. Немцы, называя новую городскую войну Rattenkrieg (нем. Крысиная война), горько шутили о том, что кухню уже захватили, но до сих пор бьются за спальню.

Сражение на Мамаевом кургане, пропитанной кровью высоте, возвышающейся над городом, было необычно беспощадным. Высота переходила из рук в руки несколько раз. Во время одной из советских контратак на Мамаев курган с целью перехватить его, советские войска потеряли целую дивизию в 10тысяч человек в один день. На зерновом элеваторе, огромном зернообработочном комплексе, боевые действия проходили настолько плотно, что советские и немецкие солдаты могли чувствовать дыхание друг друга. Бои на зерновом элеваторе продолжались неделями, пока советская армия не сдала позиции. В другой части города многоквартирное здание, обороняемое советским взводом под командованием Якова Павлова, было превращено в неприступную крепость. Из этого дома, позже названного «Домом Павлова», можно было наблюдать площадь в центре города. Солдаты окружили здание минными полями и установили пулемётные позиции.

Не видя конца этой жуткой борьбе, немцы стали подвозить к городу тяжёлую артиллерию, включая несколько гигантских 600-миллиметровых мортир/Данные о 600-мм мортирах типа «Карл» не подтверждаются ни одним из источников, такие артсистемы на восточном фронте применялись только под Севастополем. Немцы не делали никаких усилий, чтобы переслать войска через Волгу, позволяя советским войскам воздвигать на ней огромное количество артбатарей. Советская артиллерия на восточном берегу Волги продолжала вычислять немецкие позиции и обрабатывать их усиленным огнём. Появляющиеся благодаря этому руины советские защитники использовали как оборонительные позиции. Немецкие танки не могли передвигаться посреди груд булыжников высотой до 8 метров. Если они даже и могли продвигаться вперёд, то попадали под плотный огонь советских противотанковых подразделений, расположенных в развалинах зданий.

Советские снайперы также успешно использовали руины в качестве укрытий. Они нанесли немцам тяжелейший урон. Наиболее успешный снайпер известен только как «Зикан», на его счету было 224 человека к 20 ноября 1942 года. Василий Григорьевич Зайцев убил 225 солдат и офицеров противника (в том числе 11 снайперов) в ходе сражения.

И для Сталина, и для Гитлера битва за Сталинград стала вопросом престижа в дополнение к стратегическому значению. Советское командование передвинуло резервы Красной Армии из Москвы к Волге, а также перевезло воздушные силы практически со всей страны в район Сталинграда. Напряжение обоих военных командиров было безмерным: у Паулюса развился неконтролируемый нервный тик глаза, а Чуйков переживал внезапное появление экземы, из-за чего ему пришлось полностью забинтовать руки.

В ноябре, после трёх месяцев кровавой бойни и медленного, дорогостоящего наступления, немцы наконец достигли берегов реки, захватив 90% разрушенного города и разбив сохранившиеся советские войска на две части, из-за чего те попали в два узких котла. В дополнение ко всему этому, на Волге образовалась корка льда, мешающая подходу лодок и грузам обеспечения для попавших в тяжёлую ситуацию Советских войск. Несмотря ни на что, борьба, в особенности на Мамаевом кургане и на заводах в северной части города, продолжалась так же неистово, как и всегда. Сражения за завод Красный Октябрь, тракторный завод и артиллерийский завод Баррикады стали известны на весь мир. Пока советские солдаты продолжали защищать свои позиции, ведя огонь по немцам, рабочие заводов и фабрик ремонтировали повреждённые советские танки и оружие в непосредственной близости от поля боя, а иногда и на самом поле боя.