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.
Тем временем 13-й танковый корпус занимался деблокированием окруженных соединений 62-й армии. 28 июля ему удалось установить связь с окруженными 184-й и 192-й стрелковыми дивизиями и 40-й танковой бригадой.
Полноценное наступление 22-го танкового корпуса началось только 29–30 июля. В 17.00–20.00 30 июля в расположение 22-го танкового корпуса прорвался 13-й танковый корпус вместе с выведенными из окружения частями 62-й армии. Бои продолжались до 8 августа. К тому времени все оставшиеся на ходу танки 22-го танкового корпуса свели в 182-ю танковую бригаду. Набралось 7 Т-34, 4 Т-70 и 9 Т-60.
Одновременно пыталась пробиться в северном направлении и отрезать прорвавшиеся к Дону части XIV корпуса 1-я танковая армия. 28-й танковый корпус достиг рубежа населенных пунктов Липолебедевский, Липологовский. Части 131-й стрелковой дивизии овладели окраиной Голубинского. Однако взломать позиции оборонявшейся на этой линии фронтом на юг 16-й танковой дивизии соединениям 1-й танковой армии не удалось. Они лишь продвинулись на 6–7 км.
Штабу К.С.Москаленко пришлось нелегко. Он был вынужден координировать не только контрудар во фланг XIV корпусу в северо-западном направлении, но и против заходившего с юго-запада XXIV танкового корпуса. На это направление был выдвинут 23-й танковый корпус Г.С.Родина. Формально именовавшийся танковым, XXIV корпус 6-й армии в тот момент состоял из двух пехотных дивизий. За семь дней боев 23-й танковый корпус потерял подбитыми и сожженными 90 Т-34, 35 Т-70 и 22 Т-60. На 6 августа в строю оставалось 6 Т-34, 5 Т-70 и 2 Т-60.
К 6 августа 1-я танковая армия потеряла большую часть своего состава и была расформирована. Ее остатки, в том числе 23-й танковый корпус, были подчинены 62-й армии. 4-я танковая армия сохранила свое название, но пополнения для своих танковых частей не получила. В результате бойцы иронически называли ее «четырехтанковая армия». Несмотря на большие потери, 1-й и 4-й танковым армиям удалось предотвратить окружение 62-й армии и остановить продвижение 6-й армии к Сталинграду. Вместо окружения советских войск на западном берегу Дона и быстрого марша на Сталинград ударная группировка немецких войск была втянута в затяжные бои, а затем вынуждена перейти к обороне до подхода с запада XVII и XI армейских корпусов.
Командующий 4-й танковой армией генерал-майор В.Д. Крюченкин и генерал-лейтенант танковых войск А.Д. Штевнев на наблюдательном пункте. Район Сталинграда
В разрыв, образовавшийся в результате отхода на северо-восток 4-й «четырехтанковой» армии, командующим фронтом А.И.Еременко была вынужденно введена, несмотря на запрет Ставки ВГК, 1-я гвардейская армия. Точнее, были брошены в бой 39-я и 40-я гвардейские стрелковые дивизии С.С.Гурьева и А.И.Пастревича. За ними сразу после выгрузки из эшелонов последовали части 37-й гвардейской стрелковой дивизии В.Г.Желудева. В результате упорных оборонительных боев к 19 августа обстановка на стыке 21-й и 4-й танковой армии была стабилизирована. Основная ударная сила армии Паулюса, XIV танковый корпус фон Виттерсгейма, был с фланга переброшен на направление главного удара. За операцией по обеспечению фланга должен был последовать штурм города Сталинграда. В результате упорного сопротивления войск 62, 64-й и 57-й армий и контрударов советских войск замыслы противника на захват Сталинграда с ходу были сорваны. За месяц напряженных боев 6-я армия продвинулась всего лишь на 60–80 км. До города оставалось еще столько же.
Судьба населения Сталинграда складывалась в августе 1942 г. по одному из худших вариантов. Город стоял на берегу Волги, и любые грузы требовалось тем или иным способом переправлять на левый берег реки. Однако немедленная организация переправ и эвакуация была невозможна. В июле и начале августа руководство страны было озадачено вопросом, что будет кушать население СССР после оккупации противником сельскохозяйственного юга России. Соответственно через Сталинград непрерывным потоком шли перевозки в глубь страны хлеба, перегонялись скот и техника (чтобы сеять и пахать на новом месте). На 4 августа на правом берегу Волги в районе Дубовки скопилось 50 тыс. голов скота, 18 МТС с машинами и 500 тракторов, в районе Горного Балыклея – 25 тыс. голов скота, 10 МТС с сельскохозяйственными машинами и 350 тракторов, в районе Каменного Яра – 60 тыс. голов скота, 14 МТС с машинами и 400 тракторов, в районе Камышина на подходе было 60 тыс. голов скота, 11 МТС и 400 тракторов. В ближайшие дни ожидалось к переправе около 1400 тыс. голов скота. Задача эвакуации стратегически важных запасов была в значительной степени решена. На переправах через Волгу на участке Астрахань – Камышин в навигацию 1942 г. было перевезено: скота – 1560,6 тыс. голов, в том числе крупного – 338 тыс. голов, повозок – 6,7 тыс. штук, тракторов – 996. Эвакуация населения Сталинграда в августе велась низкими темпами, видимо, советское руководство считало себя в состоянии удержать ситуацию под контролем. К 23 августа из всего населения 400-тысячного города было эвакуировано около 100 тысяч человек.