В июле, когда немецкие намерения стали совершенно ясны, советское командование разработало планы по обороне Сталинграда. Для создания нового фронта обороны советским войскам после выдвижения из глубины приходилось с ходу занимать позиции на местности, где отсутствовали заранее подготовленные оборонительные рубежи. Большинство соединений Сталинградского фронта представляли собой новые формирования, которые ещё не были должным образом сплочены и, как правило, не имели боевого опыта. Ощущался острый недостаток в истребительной авиации, противотанковой и зенитной артиллерии. Во многих дивизиях не хватало боеприпасов и автотранспорта.
Общепризнанной датой начала битвы считается 17 июля. Однако Алексей Исаев обнаружил в журнале боевых действий 62-й армии данные о двух первых столкновениях, произошедших 16 июля. Передовой отряд 147-й стрелковой дивизии в 17:40 был обстрелян возле хутора Морозова противотанковыми пушками противника и уничтожил их ответным огнём. Вскоре произошло более серьёзное столкновение.
«В 20:00 четыре немецких танка скрытно подошли к хутору Золотой и открыли огонь по отряду. Первый бой Сталинградской битвы длился 20—30 минут. Танкисты 645-го танкового батальона заявили, что уничтожено 2 немецких танка, 1 противотанковая пушка и ещё 1 танк подбит. Видимо, немцы не рассчитывали столкнуться сразу с двумя ротами танков и послали вперед всего четыре машины. Потери отряда составили один Т-34 сгоревшим и два Т-34 подбитыми. Первый бой кровопролитного многомесячного сражения не был ознаменован ничьей смертью — людские потери двух танковых рот составили 11 человек ранеными. Таща за собой два подбитых танка, отряд вернулся назад».
17 июля на рубеже рек Чир и Цимла передовые отряды 62-й и 64-й армий Сталинградского фронта встретились с авангардами 6-й немецкой армии. Взаимодействуя с авиацией 8-й воздушной армии (генерал-майор авиации Т. Т. Хрюкин), они оказали упорное сопротивление противнику, которому, чтобы сломить их сопротивление, пришлось развернуть пять дивизий из тринадцати и затратить пять суток на борьбу с ними. В конце концов немецкие войска сбили передовые отряды с занимаемых позиций и подошли к главной полосе обороны войск Сталинградского фронта. Сопротивление советских войск заставило нацистское командование усилить 6-ю армию. К 22 июля в ней было уже 18 дивизий, насчитывавших 250 тыс. человек боевого состава, около 740 танков, 7500 орудий и миномётов. Войска 6-й армии поддерживали до 1200 самолётов. В итоге соотношение сил ещё более увеличилось в пользу противника. Например, в танках он теперь имел двукратное превосходство Войска Сталинградского фронта к 22 июля имели 16 дивизий (187 тыс. человек, 360 танков, 7900 орудий и миномётов, около 340 самолётов) .
На рассвете 23 июля в наступление перешла северная, а 25 июля и южная ударные группировки противника. Используя превосходство в силах и господство авиации в воздухе, немцы прорвали оборону на правом фланге 62-й армии и к исходу дня 24 июля вышли к Дону в районе станицы Голубинская. Затем в этой станице расположился штаб немецкой 6-й армии.
В результате около трёх советских дивизий попали в окружение. Противнику также удалось потеснить войска правого фланга 64-й армии. Для войск Сталинградского фронта сложилась критическая обстановка. Оба фланга 62-й армии оказались глубоко охваченными противником, а выход его к Дону создал реальную угрозу прорыва нацистских войск к Сталинграду.
К концу июля немцы оттеснили войска Красной армии за Дон. Линия обороны протянулась на сотни километров с севера на юг вдоль Дона. 6-я армия была всего лишь в нескольких десятках километров от Сталинграда, и 4-я танковая, находясь на юге от него, повернула на север, чтобы помочь взять город. Тем временем, группа армий «А» продолжала продвигаться к Кавказу, но её наступление замедлилось. Группа армий «А» была слишком далеко на юге и не могла обеспечить поддержку группе армий «Б» на севере.
28 июля 1942 года Сталин издал приказ № 227 («Ни шагу назад!»), в котором потребовал усилить сопротивление и во что бы то ни стало остановить наступление противника.
Упорное сопротивление советских войск вынудило немецкое командование 31 июля повернуть с Кавказского направления на Сталинград 4-ю танковую армию (генерал-полковник Герман Гот). 2 августа её передовые части подошли к Котельниковскому. В этой связи создалась прямая угроза прорыва противника к городу с юго-запада. Развернулись бои на юго-западных подступах к нему. Для укрепления обороны Сталинграда по решению командующего фронтом на южном фасе внешнего оборонительного обвода была развёрнута 57-я армия. В состав Сталинградского фронта передавалась 51-я армия (генерал-майор Т. К. Коломиец, с 7 октября — генерал-майор Н. И. Труфанов). Упорные бои завязались у небольшой станции «74-й километр».
конце августа и сентябре соединения 51-й, 64-й и 57-й армий провели ряд контрударов к югу от Сталинграда в направлении Степное, Абганерово и Тингута, стремясь остановить наступление частей 4-й танковой армии, 4-ого армейского корпуса и 48-го танкового корпуса вермахта. В то же время, к северу от города в районе Ерзовки части 24-й армии, 66-й армии и 1-й Гвардейской армии стремились отрезать части 14-го танкового корпуса противника, на небольшом участке прорвавшегося к Волге. При нанесении контрударов советские войска должны были закрыть прорыв немцев на участке станции Котлубань, Россошка и ликвидировать так называемый «сухопутный мост». Ценой громадных потерь войсковые подразделения сумели продвинуться только на несколько километров.