В истории Сталинградской битвы традиционно рассматривались бои непосредственно в городе, действия же на флангах всегда считались второстепенными, малозначащими и носившими вспомогательный характер с целью отвлечь часть сил немецкой армии. Упоминалось про несколько небольших операций, которые помогли сражающимся в городе войскам. Впервые о действиях на флангах было упомянуто в книге А. Панина «Сталинград. Забытое сражение», вышедшей в 2005 году. В ней было опубликовано немало ранее неизвестных документов.
После прорыва к Волге 6-й немецкой армии и начала боев в самом Сталинграде была сделана попытка восстановить фронт, для чего правым крылом Сталинградского фронта наносился удар севернее города. Для руководства этой операцией 29 августа на Сталинградский фронт прибыл заместитель Верховного главнокомандующего генерал армии Г. К. Жуков.
Нанесение удара планировалось силами 4 танковой, 24-й, 1 гвардейской и 66-й армий. Перед войсками ставилась задача окружить соединения немецкого 14-го моторизованного корпуса: 3-ю и 60-ю моторизованные, 16-ю танковую и 76-ю пехотную дивизии. В случае успеха операции под угрозой окружения могла оказаться вся 6 армия.
Большая часть соединений 1-й гвардейской армии была ослаблена в предыдущих боях. 24-я и 66-я армии были переданы из резерва Ставки, но к началу операции не все дивизии успели прибыть. В 16-й воздушной армии было менее двухсот исправных самолетов (но в два раза больше, чем в 8-м авиакорпусе немцев под Сталинградом).
Наступление было назначено на 5 сентября, но 1-я гвардейская армия начала его 3-го, почти без подготовки. 5 сентября началось наступление остальных армий. Всего было брошено в бой восемнадцать стрелковых дивизий, около пятисот танков. 7 сентября было переброшено еще четыре дивизии, ранее предназначавшиеся для наступления под Воронежем. До 12 сентября войска продолжали атаки, штурмуя немецкие позиции в лоб, без артиллерийской и авиационной поддержки.
Вопреки утверждениям, приведенным, например, в «Воспоминаниях и размышлениях» Г. К. Жукова, наступление не оказало существенной помощи сражавшейся в городе 62-й армии. В этот же период немцы захватили южную и половину центральной части города, вынудив командование фронтами переехать на левый берег Волги.
12 сентября Г. К. Жуков отбыл в Москву, а в Сталинграде начали готовить новую операцию. Проводилась она уже силами двух фронтов. Сталинградский фронт наносил основной удар южнее станции Котлубань на Гумрак. Юго-Восточный фронт должен был прорваться силами 64-й армии южнее Сталинграда в направлении на Купоросное. В результате операции все немецкие войска в Сталинграде попадали в котел.
Армии получили новые дивизии из резерва, танковые корпуса были пополнены техникой. С немецкой стороны силы были те же, только некомплект увеличился — в ротах по 20—30 человек.
18 сентября началось наступление Сталинградского фронта, координировал действия фронтов прибывший из Москвы генерал армии Г. К. Жуков.
Наступление было подготовлено плохо, немецкие позиции не разведаны, многие дивизии вступили в бой «с колес». Немцы упредили наш удар артиллерийской подготовкой. Несмотря на малочисленность, в небе господствовала немецкая авиация. Основной удар наносила 1-я гвардейская армия. Лобовыми атаками пехоты при поддержке 7-го и 16-го танковых корпусов прорвать оборону не удалось. Был введен 4-й танковый корпус, предназначенный для развития наступления, но результата это не дало. Большая часть танков была потеряна в лобовых атаках на немецкую оборону, в том числе и на минных полях.
19 сентября началось наступление Юго-Восточного фронта, за два дня войска понесли большие потери и не смогли продвинуться.
24 сентября операцию прекратили. Был сформирован Донской фронт под командованием генерал-лейтенанта К. К. Рокоссовского, куда вошли все войска Сталинградского, за исключением сражавшейся в городе 62-й армии. Юго-Восточный фронт переименовывался в Сталинградский, ему передавалась 62-я армия. Представителем Ставки на Донском фронте оставался генерал армии Г. К. Жуков, на Сталинградский фронт прибыл генерал-полковник А. М. Василевский. Войска получили маршевое пополнение, новые дивизии и бригады из резерва.
29 сентября начали наступление войска Сталинградского, а 30 — войска Донского фронтов. Задачи ставились те же. Прорвать оборону противника не удалось, лишь на крайнем фланге 57-я армия, не встречая серьезного сопротивления румынских частей, продвинулась на несколько километров силами 15-й гвардейской стрелковой дивизии. Сталинградский фронт наступал до 6 октября, Донской до 2-го.
Войска понесли большие потери, были истощены и нуждались в отдыхе и пополнении.