В силу постоянного участия в тяжелых оборонительных боях Юго-Западный фронт не успел сформировать в своем составе объединение для массирования усилий авиации — воздушную армию. После того как фронт стал Сталинградским, в его состав в конце июля 1942 г. была включена 8-я воздушная армия генерал-майора авиации Т.Т.Хрюкина. К началу оборонительного сражения 8-я воздушная армия в своем составе насчитывала 561 самолет, из них 337 исправных и 224 неисправных. В числе исправных самолетов было: 85 истребителей, до 30 % которых составляли самолеты устаревших типов — И-16, И-15 и И-153, 48 штурмовиков, 88 дневных и 116 ночных бомбардировщиков (По-2). Возможности 8-й воздушной армии постоянно возрастали. С 20 июля по 17 августа в состав армии Т.Т.Хрюкина было передано 23 авиационных полка — около 450 самолетов. Кроме того, на аэродромы, расположенные ближе к Сталинграду, были перебазированы пять дивизий авиации дальнего действия.
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.
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.
