Volgens het originele plan zou het 4. Panzerarmee zuidoostwaarts langs de Don trekken en de Sovjettroepen vernietigen die door het 1. Panzerarmee en het 17. Armee opgedreven werden. Deze Kesselschlacht leverde echter maar 40.000 krijgsgevangenen op, doordat het Zuidwestelijke Front en het Zuidelijke Front op tijd weg konden komen. Hitler werd steeds ongeduldiger door het uitstel dat in wezen zijn eigen schuld was. Het belangrijkste onderdeel van Fall Blau was een snelle opmars van het 6. Armee en het 4. Panzerarmee naar Stalingrad, om zo de terugtocht van Timosjenko’s troepen af te snijden. Daarna zou de aanval tegen Rostov en de Kaukasus worden ingezet. Maar Hitler was zo bezeten van een snellere opmars naar de Kaukasus dat hij besloot beide operaties tegelijk te laten uitvoeren. Daarom besloot Hitler half juli om Heeresgruppe Süd in tweeën te delen. Generalfeldmarschall Fedor von Bock liet zijn ergernis blijken over de beslissing om Fall Blau in twee delen te splitsen. Daarop ontsloeg Hitler Von Bock, mede door zijn fouten bij Voronezj.

De Heeresgruppen trekken van elkaar weg

Door de splitsing ontstonden Heeresgruppe A en Heeresgruppe B. Heeresgruppe A onder Generalfeldmarschall Wilhelm List moest Rostov veroveren en Heeresgruppe B onder Generaloberst Maximilian Reichsfreiherr von Weichs, de opvolger van Von Bock, moest naar het oosten oprukken en de Volga oversteken. De overige Duitse generaals waren ook volkomen verbaasd, omdat er niet genoeg middelen waren om deze twee doelen tegelijkertijd te vervullen. Bovendien werd het 6. Armee beroofd van het XXXX. Panzerkorps, zodat haar opmars aanzienlijk vertraagd werd.
Hitler gaf op 16 juli het 4. Panzerarmee het bevel naar het verre zuiden af te buigen. Dit leger kruiste daardoor het pad van het 6. Armee, wat een puinhoop veroorzaakte. Troepen van het ene leger vermengden zich met die van het andere leger en er ontstonden reusachtige verkeersopstoppingen. Bevoorradingsvoertuigen raakten verdwaald dankzij tegenstrijdige aanwijzingen van de woedende Feldgendarmerie. In de chaos nam het 4. Panzerarmee per ongeluk het grootste gedeelte van de olie en brandstof mee die voor beide legers bestemd was. Eenmaal in de Kaukasus zou het 4. Panzerarmee het 1. Panzerarmee ondersteunen bij de aanval op Rostov en een grote omsingeling bewerkstelligen. De omsingeling mislukte, maar op 23 juli werd Rostov veroverd door het 1. Panzerarmee, waardoor de interventie van het 4. Panzerarmee eigenlijk onnodig was gebleken.
Met de verplaatsing van het 4. Panzerarmee was Heeresgruppe B beroofd van haar tanks. Het 6. Armee, grotendeels bestaand uit infanterie, was nu alleen in de opmars naar de Volga, en dat in een periode waarin het Zuidwestelijke Front nog in chaos verkeerde en de verdediging van Stalingrad nog moest worden georganiseerd. Een tekort aan brandstof hield de opmars flink op: het 6. Armee had met flinke bevoorradingsproblemen te kampen. Doordat Heeresgruppe A en B van elkaar weg trokken, werden de afzonderlijke aanvoerlijnen veel te groot. De vertraagde opmars gaf Stavka, het Sovjetopperbevel, de gelegenheid drie Sovjetlegers naar de grote Donbocht te dirigeren.
Op 23 juli 1942, na de val van Rostov, vaardigde Hitler Führerweisung 45 uit. Hierin beschreef hij operatie Braunschweig, het vervolg op Fall Blau, en verklaarde hij officieel dat de doelen van Fall Blau bereikt waren. Heeresgruppe A moest de Kaukasische olievelden, de Zwarte Zeekust en uiteindelijk Bakoe veroveren, terwijl Heeresgruppe B langs de Volga richting Astrachan en de Kaspische Zee moest oprukken.
Eind juli klaagden Von Weichs en Paulus bij Hitlers adjudant dat het 6. Armee te zwak was om alle tegenaanvallen te weerstaan. Hitler besloot daarom op 30 juli om het 4. Panzerarmee weer vanuit de Kaukasus naar het noorden te sturen. Deze manoeuvre verliep erg langzaam, doordat ook het 4. Panzerarmee geplaagd werd door brandstofgebrek. "Zoveel kostbare dagen zijn verloren gegaan," merkte Generaloberst Halder, de Chef van de Generale Staf van het OKH, kokend van woede op.

De Sovjetverdediging

Toch verliep het offensief nog vrij succesvol voor de Duitsers. In Moskou voer opnieuw een huivering van paniek door de bevolking. Het nieuws dat Rostov vrijwel zonder slag of stoot was gevallen, bracht woede en ontzetting teweeg. Tijdens de overhaaste vlucht, begon de discipline af te kalven: wapens en uitrusting werden achtergelaten en de soldaten verwondden liever zichzelf dan tegen de Duitse reus te vechten. Het gezag van de officieren en commissarissen was tanende. Op 28 juli kwam Stalin daarom met Order 227, bekender als 'Geen stap terug!' (Ni sjagoe nazad!) om deze ineenstorting van het moreel een halt toe te roepen. Dit bevel kwam op een moment van acute crisis. Stalin beval het einde van de terugtrekking. Iedereen die zondigde tegen dit bevel, de 'paniekelingen', de 'lafaards', liep kans op standrechtelijke executie of plaatsing in een strafbataljon, een sjtrafbat. Ook moesten er 'versperringstroepen' worden gevormd in het Rode Leger, die paniek en desertie moesten voorkomen en ervoor moesten zorgen dat de soldaten bleven vechten. Ze werkten samen met de NKVD, het Volkscommissariaat voor Binnenlandse Zaken (de geheime politie), die hetzelfde werk deed. De strafbataljons moesten gevaarlijke taken uitvoeren of soms gewoon in de achterhoede wachtlopen, terwijl aan het front een groot tekort was aan soldaten. Op 29 oktober werden de strafbataljons daarom opgeheven, maar de NKVD-troepen gingen gewoon door met het opsporen van iedereen die van plichtsverzuim of lafheid werd beticht. Naar schatting werden 23.000 soldaten gedurende de Slag om Stalingrad door de NKVD geëxecuteerd.

Op 12 juli werd het Stalingrad Front gevormd onder bevel van Maarschalk van de Sovjet-Unie Semjon K. Timosjenko. Zij had een frontlijn van 350 kilometer te verdedigen en bestond uit drie legers: ten noordwesten van Stalingrad luitenant-generaal Koeznetsovs 63e Leger, in het westen generaal-majoor Kolpaktsji's 62e Leger en in het zuidwesten luitenant-generaal Tsjoeikovs 64e Leger. Hun sterkte was illusoir: de drie legers, bestaand uit ongeveer 200.000 man, waren samen lang niet zo sterk als het 6. Armee met zijn 300.000 man. Op 23 juli drong het 6. Armee door de rechterflank van het 62e Leger. Stavka had gehoopt de Duitsers ten westen van de Don te kunnen bestrijden, maar het Sovjetfront was zo lek als een mand. Op de 25e werd ook Tsjoeikovs 64e Leger hevig aangevallen. Het 62e en het 64e Leger slaagden er grotendeels in over de Don naar het Oosten te vluchten, na geruchten te hebben gehoord dat ze door de Duitsers zouden worden afgesneden. Voor de ogen van de Duitsers slaagden troepen van het 64e Leger er nog in de cruciale brug over de Don bij Nizjne-Tsjirskaja op te blazen. Veel van de Sovjettroepen waren erin geslaagd over de Don naar het Oosten te vluchten en er werden maar weinig soldaten krijgsgevangen genomen.

In de chaos besloot Joseph V. Stalin op 23 juli wederom tot reorganisaties in de bevelvoering. Het Stalingrad Front werd in tweeën gesplitst: het noordelijke deel, het nieuwe Stalingrad Front, kwam onder bevel te staan van de opvliegerige luitenant-generaal Vasily N. Gordov. het zuidelijke deel, het nieuwe Zuidoostelijke Front, kwam op 7 augustus onder bevel te staan van kolonel-generaal Andrei I. Jeremenko, die nog mank liep van een verwonding die hij de afgelopen zomer had opgelopen. Jeremenko was tegen een splitsing van het front midden in de stad, maar daar had Stalin geen boodschap aan. Het Zuidoostelijke Front controleerde het zuidelijke deel van Stalingrad, terwijl het Stalingrad Front het noordelijke deel onder haar hoede had. Yeremenko was van mening dat dit niet efficiënt was en verzocht Stalin hem het bevel over beide fronten te geven. Stalin weigerde, maar na aandringen van Jeremenko keurde hij het plan op 12 augustus toch goed. Gordov werd nu Jeremenko’s plaatsvervanger.

Het zou niet lang meer duren voordat de Duitse aanval op de stad zou worden ingezet. Tegen het einde van juli werd besloten dat de hoogbejaarden en de zeer jonge kinderen met hun moeders over de Volga geëvacueerd zouden worden. De ouden waren echter sterk aan hun stad gehecht en de moeders van de kleintjes waren bevreesd dat ze, eenmaal gescheiden van de rest van hun familie, elkaar nooit weer terug zouden vinden. Voor de autoriteiten was het een grote zorg uit te maken wat er met hen moest gebeuren als ze eenmaal de grote rivier waren overgestoken. Op de kale steppe op de oostelijke oever was over een afstand van vele kilometers geen rivier, geen stad, niets. Toch werden ze geëvacueerd, zodat ze de verdedigers niet voor de voeten zouden lopen.
Alles wat kon worden gedaan voor de verdediging van de stad, moest met spoed geschieden. Alle beschikbare mannen en vrouwen tussen 16 en 35 jaar werden gemobiliseerd. Dit waren onder andere alle arbeiders uit niet essentiële bedrijven, (bedrijven die zich niet met oorlogsindustrie bezighielden), en kantoorpersoneel. Zij werden ingedeeld in werkbataljons onder militaire commandanten. Bijna 200.000 burgers in totaal werden zo gemobiliseerd om een anti-tankgracht van 40 kilometer en tankvallen te graven. Zij werden geholpen door soldaten van het 62e Leger die konden worden gemist. Zij protesteerden echter omdat zij liever vochten dan graven. Daarom werden de scholen gesloten en ook alle studenten en andere leerlingen, jongens en meisjes, boven de twaalf jaar, kregen spaden, emmers en houwelen. Ze werden ingezet om aarden wallen te bouwen rondom de olie-opslagtanks aan de oever van de Volga, en de luchtafweer van de stad werd grotendeels bediend door jonge vrouwen.

De opmars naar de stad

Op 19 augustus gaf Friedrich Paulus opdracht om de aanval op Stalingrad te beginnen. Op 21 augustus, bij het aanbreken van de dag, staken infanteriecompagnieën van het LI. Armeekorps van het 6. Armee in opblaasbare landingsboten de Don over. Ze vormden snel een bruggenhoofd bij het dorp Loetsjinsky. Kort daarna kwamen geniebataljons, die pontonbruggen bouwden voor de tanks en de andere voertuigen. In de morgen van zondag 23 augustus begon de opmars over de steppe tussen de Don en de Volga. Er werd maar weinig tegenstand ondervonden. De steppe was steenhard als gevolg van de droogte en liet een hoog tempo toe. Er waren amper vijanden te zien. Het 6. Armee, met het XIV. Panzerkorps voorop, rukte in oostelijke richting op naar Stalingrad, en het 4. Panzerarmee in noordoostelijke richting. Tegen het eind van de middag drong een Duitse speerpunt door tot bij de noordelijke buitenwijken van de stad. Zij zagen een enorme vloot van Junkers 88 en Heinkel 111 bommenwerpers overvliegen in de richting van Stalingrad.

Die middag begon de Luftwaffe de stad te bombarderen. Het zou het zwaarste bombardement van de Tweede Wereldoorlog aan het Oostfront worden. De Luftwaffe voerde meer dan 2.000 vluchten boven de stad uit. Het doel van het bombardement was paniek te zaaien onder de bevolking. Omdat de Duitsers hoopten de fabrieken zelf nog te kunnen gebruiken als Stalingrad veroverd was, zouden alleen woon- en kantoorwijken worden getroffen. Na enkele weken zou er geen onderscheid meer worden gemaakt; toen was het zo dat de stad hoe dan ook moest worden veroverd, zelfs als ze enkel bestond uit een grote hoop puin.
De houten huizen aan de westrand van de stad kregen een regen van brandbommen te verduren. Ook de grote olie-opslagtanks aan de oever van de Volga werden getroffen. Brandende olie stroomde in de Volga en werd door de stroming verspreid. Er ontstond een grote, loeiende vlammenzee op de Volga waardoor het leek alsof de rivier zelf in brand stond. Door de dichte zwarte rook en het stof boven de stad was de zon bijna volledig verduisterd. De rookkolom was in de verre omtrek te zien. De stad was veranderd in een inferno waarin in een week tijd ongeveer 40.000 burgers omkwamen. De Slag om Stalingrad was begonnen.