In maart 1942 stelde Hitler vast dat Duitsland in 1942 moest bereiken wat het in 1941 niet had kunnen doen: de Sovjet-Unie in één campagne verslaan. Het Europese conflict was door de deelname van de Verenigde Staten en Japan een wereldconflict geworden. De agrarische en economische mogelijkheden van de Sovjet-Unie zouden door Duitsland gebruikt kunnen worden om de Brits-Amerikaanse coalitie het hoofd te kunnen bieden. In Führerweisung 41 van 5 april 1942 gaf Hitler aan dat de Sovjet-Unie het beste in één campagne kon worden verslagen door haar legers in het zuiden te vernietigen en het land tegelijkertijd af te snijden van de oliebronnen in de Kaukasus. Men moest de Volga oversteken ten noorden van Stalingrad. Hitlers berekeningen werden gedomineerd door het olievraagstuk. Op 30 juni 1942 verklaarde Hitler voor een aantal officieren van Heeresgruppe Süd: "Als ik de olie van Maikop en Grozny niet krijg, dan moet ik deze oorlog beëindigen."
Maikop en Grozny produceerden samen 10% van de Sovjetolie, maar de grote schat was Bakoe, waar 80% van de Sovjetolie vandaan kwam. Bakoe lag echter wel onheilspellend ver weg.

Net zoals het plan voor operatie Barbarossa in 1941 was Führerweisung 41 geen gedetailleerd operatieplan. Alleen de eerste fase van de operaties kwam aan bod: in een reeks Kesselschlachts ten westen van de Don moest het Rode Leger in het zuiden vernietigd worden. Een belangrijk gegeven is dat Stalingrad aanvankelijk niet het formele doel van de campagne was.
Fall Blau zou uit drie delen bestaan. De eerste fase, Fall Blau, was een krachtige opmars oostwaarts vanuit de regio Koersk door Armeegruppe von Weichs, bestaand uit het 4. Panzerarmee en het 2. Armee, richting Voronezj. De tweede fase, operatie Maus (Muis), was een aanval van Paulus' 6. Armee direct ten zuiden van deze speerpunt. Hij moest de oevers van de bovenloop van de Don veroveren en stroomafwaarts evenwijdig aan de Don oprukken. In de grote Donbocht zou het dan de troepen van het Rode Leger omsingelen. In de derde fase, operatie Siegfried, moesten het 1. Panzerarmee en het 17. Armee richting Rostov oprukken. Het 4. Panzerarmee zou, net als het 6. Armee, zuidoostwaarts langs de Don trekken en de Sovjettroepen vernietigen die door het 1. Panzerarmee en het 17. Armee opgedreven werden. Hierna zouden de Duitsers de Volga bij Stalingrad oversteken en hun orders voor de Kaukasuscampagne ontvangen. Deze drie operaties samen worden over het algemeen ook aangeduid als Fall Blau.

Net zoals in 1941 begon het offensief relatief laat in het jaar, op 28 juni 1942, waardoor het Duitse leger maar net iets meer dan vier maanden had om een beslissende overwinning te behalen. In het zuiden wilde Hitler zowel het Rode Leger vernietigen als de olievelden veroveren. Maar als het Duitse leger beide doelen had bereikt, dan is het nog maar de vraag of Stalins Sovjet-Unie daarmee verleden tijd zou zijn geweest. Hoewel 90% van de Sovjetolie uit de Kaukasus kwam, was de Sovjet-Unie niet van deze olie afhankelijk. Er waren olievelden in de Oeral en ten oosten van de Kaspische Zee die niet dezelfde hoeveelheden produceerden, maar er wel waren. Het verlies van de oliebronnen en de vernietiging van het Sovjetleger in het zuiden zouden een zware klap zijn geweest. Maar het is twijfelachtig of, gezien de wil van de Sovjets om tot het bittere einde door te vechten, zelfs de perfecte uitvoering van de campagne van 1942 tot de totale nederlaag van de Sovjet-Unie zou hebben geleid.

Het offensief was in handen van Heeresgruppe Süd onder leiding van Generalfeldmarschall Fedor von Bock, met 1.300.000 man in haar gelederen, terwijl Heeresgruppe Mitte en Heeresgruppe Nord defensieve taken hadden. In 1942 kon het Duitse leger haar drie Heeresgruppen niet tegelijkertijd offensieve operaties laten uitvoeren. Om de pantserdivisies van Heeresgruppe Süd op pijl te brengen werden de pantserdivisies van de andere twee Heeresgruppen kaalgeplukt. In totaal bestond de strijdmacht uit 95 divisies, waaronder 21 divisies van de bondgenoten.

De Tweede Slag om Charkov

Eind maart 1942 werd door Stavka, het Sovjetopperbevel, de strategie voor de zomercampagne besproken. Zjoekov, nu plaatsvervangend opperbevelhebber van het Rode Leger, en Aleksandr M. Vasilevsky, de Chef van de Generale Staf, waren voorstanders van de defensieve optie. Stalin eiste echter offensieven over het gehele front om de Duitsers zo uit te putten. Hij onderschatte de bekwaamheid en het herstelvermogen van de Duitsers schromelijk. Maarschalk van de Sovjet-Unie Semjon K. Timosjenko, de opperbevelhebber van het Zuidwestelijke Front, stelde voor om een groot offensief te lanceren met de bedoeling Charkov te heroveren. Stalin ging hiermee akkoord. De Sovjets hadden te zuidoosten van Charkov een saillant in Duits gebied. Van hieruit zouden de Sovjets naar het noordwesten oprukken. Ten noorden van Charkov zouden de Sovjets in zuidwestelijke richting oprukken om zo het bij Charkov gelegen 6. Armee te omsingelen. Tegelijkertijd waren ook de Duitsers bezig met een plan voor een operatie. Zij wilden in operatie Fridericus de Sovjetsaillant omsingelen en vernietigen. Vanuit het noorden zou Paulus' 6. Armee zuidwaarts oprukken naar Von Kleists 1. Panzerarmee, dat noordwaarts trok. Op 12 mei viel Timosjenko aan. Op 14 mei leek een grote Sovjetoverwinning voor de deur te staan, indien Timosjenko's pantserreserves een tactisch succes in een operationele overwinning konden vertalen. Timosjenko liet de kans echter voorbijgaan en liet zijn pantserreserves buiten de strijd.
In eerste instantie waren de Duitsers verrast door het Sovjetoffensief, maar zij reageerden snel. Operatie Fridericus werd vervroegd gelanceerd en na een reeks verkeerde inschattingen van Timosjenko en Stalin omsingelden de Duitsers bijna drie Sovjetlegers. De Sovjets keerden zich tegen hun omsingelaars, maar ze werden gedecimeerd. De Sovjets hadden 75.000 doden en 240.000 krijgsgevangenen te betreuren. Paulus kreeg voor zijn verdiensten het Ritterkreuz.

De Krim

Als prelude tot Fall Blau beval Hitler de verovering van de Krim. Het plan hiervoor had hij in Führerweisung 43 omschreven. De Sovjetposities op de Krim waren sterk. In het westen was Sevastopol met zijn enorme forten en zware geschut nog niet veroverd, en in het oosten hadden de Sovjets een degelijke stelling opgetrokken op het schiereiland Kertsj. Op 8 mei 1942 kreeg Generaloberst Erich von Manstein, de opperbevelhebber van het 11. Armee, het bevel om in operatie Trappenjagd (Ganzenjacht) het schiereiland Kertsj te veroveren. De Sovjets leden, door de goede samenwerking van het Heer en de Luftwaffe, enorme verliezen. De evacuatie van de Sovjettroepen door de straat van Kertsj werd een bloedige catastrofe. Hierna verenigde Von Manstein zijn 11. Armee voor de belegering van Sevastopol, met de codenaam operatie Störfang (Steurvangst). Het garnizoen van Sevastopol stond onder leiding van de zeer bekwame kolonel-generaal Ivan J. Petrov. Toch veroverde Von Manstein op 3 juli de stad, nadat het door Luftflotte 4 onder bevel van Generaloberst Dr. Ing. Wolfram Freiherr von Richthofen hevig was gebombardeerd. Meer dan 100.000 Sovjetsoldaten waren op de Krim gedood of gevangen genomen. Von Manstein werd na zijn overwinningen bevorderd tot Generalfeldmarschall. Het 11. Armee had nu via de straat van Kertsj naar de Koeban moeten trekken, maar Hitler beval dat het naar Leningrad in het verre noorden moest trekken. Heeresgruppe Süd was ondertussen al aan het zomeroffensief begonnen.

Fall Blau

Op 19 juni stortte het vliegtuig met de chef-staf van de 23. Panzerdivision, Major Reichel, achter de Sovjetlinies neer. In strijd met Hitlers instructies had hij een deel van het operatieplan van Fall Blau bij zich. Kortte tijd later had Stalin de papieren in handen. Hij geloofte echter niet dat ze echt waren, en was ervan overtuigd dat het nieuwe offensief op Moskou was gericht. Hoewel Hitler woedend was, was operatie Kremel (Kremlin), het Duitse dwaalspoor dat Stalin ervan moest overtuigen dat Moskou wederom het doel was, geslaagd. De Sovjets hadden sterke troepen bij Moskou gestationeerd en rekenden niet op een aanval in het zuiden, waar minder troepen aanwezig waren.
Op 28 juni begon Fall Blau. Met enorme luchtsteun viel Generaloberst Hermann Hoths 4. Panzerarmee het 13e en het 40e Leger van het Brjansk Front van generaal Golikov aan. Twee dagen later begon het offensief voor Paulus' 6. Armee, welke het Zuidwestelijke Front aanviel. Stalin weigerde de tactische terugtrekking van het in elkaar stortende 40e Leger te autoriseren. Hij stuurde wel enkele tankkorpsen naar het Brjansk Front, maar gaf Golikov niet het gezag hun inzet te bepalen. Door Stalins ongeduld werden deze reserves niet als een georganiseerde macht maar op chaotische wijze ingezet. Op 1 juli keerde het Duitse 2. Armee onder Generaloberst Maximilian Reichsfreiherr von Weichs zuidwaarts om bij Stary Oskol contact te maken met het 6. Armee. Door taaie Sovjetweerstand kon de meerderheid van het 40e Leger echter oostwaarts ontsnappen voordat de omsingeling voltooid was op 2 juli.

Fase 1: Voronezj

Voronezj was een belangrijk spoorlijn- en wegenknooppunt. De stad, gelegen net ten oosten van de bovenloop van de Don, was van belang voor het welslagen van de eerste fase van Fall Blau. In Hitlers visie was het echter cruciaal dat Voronezj de zuidoostelijke opmars van het 4. Panzerarmee niet zou vertragen. Von Bock meldde Hitler dat Voronezj licht verdedigd werd en vrij gemakkelijk veroverd kon worden. Hitler ging hiermee akkoord, indien Von Bock onmiddelijk het XXXX. Panzerkorps naar het zuiden dirigeerde en de rest van het 4. Panzerarmee er zo snel mogelijk achteraan stuurde. Tot woede van Hitler bleek echter dat de Sovjetstrijdkrachten in Voronezj schromelijk onderschat waren. Het werd geen makkelijke klus en pas op 9 juli viel de stad.