Ставка ВГК, используя оперативную паузу, приняла меры к укреплению обороны Сталинграда. На южном фасе внешнего обвода между р. Дон и р. Волга была развернута 57А из резерва Сталинградского фронта (сд — 2, истребительные бр — 1, осб — 10), на ее усиление было направлено сд — 3, тк — 1. Из резерва Ставки ВГК на усиление Сталинградского фронта в период с 25 по 31 июля было направлено сд — 11, тк — 4, отбр — 8. 31 июля 51А Северо-Кавказского фронта была передана в состав Сталинградского фронта.
31 июля 4 ТА противника перешла в наступление в направлении Котельниково — Сталинград. 2 августа, преодолевая сопротивление отходивших вдоль железной дороги Тихорецк — Сталинград соединений 51А, главные силы 4 ТА противника передовыми частями вышли в район Котельниково.
В целях повышения плотности обороны на подготовленном рубеже по внешнему оборонительному обводу 64А была отведена с р. Дон и заняла южный фас обвода от р. Дон до Плодовитое. 57А заняла оборону в полосе Плодовитое — Райгород. С целью задержать продвижение 4 ТА в район Котельниково была выдвинута оперативная группа в составе сд — 3, тбр — 1, сбр — 1. Попытка успеха не имела, и сохранившие боеспособность войска оперативной группы после неудачных боев 5 августа отошли на северный берег р. Аксай и были переданы в состав 64А. Основные силы 51А отходили на восток, ведя сдерживающие бои с войсками 4 ак противника.
5 августа передовые соединения 4 ТА противника подошли к внешнему оборонительному обводу в районе Абганерово — Плодовитое. Попытки прорвать оборону 64 и 57А продолжались до 9 августа, но успеха не имели, и 4 ТА противника наступательные действия была вынуждена прекратить.
5 августа по решению Ставки ВГК Сталинградский фронт, протяженность полосы обороны которого к этому времени достигла 700 км, был переформирован в два фронта: Сталинградский (63, 21А, 4 ТА, 62А, 8 ВА) и Юго-Восточный (64, 57, 51А, 1 гв. А). 9 августа Ставка ВГК для достижения более тесного взаимодействия войск этих фронтов приняла решение подчинить Сталинградский фронт командующему войсками Юго-Восточного фронта, сосредоточив руководство обороной Сталинграда в одних руках.
К 7 августа 6А противника завершила перегруппировку войск 17 и 11 ак. Нарастив усилия в полосе обороны 62А, с утра 7 августа 6А противника перешла в наступление, нанося два удара по сходящимся направлениям на Калач: с севера силами 4 дивизий (тд — 1, мд — 2, пд — 1), с юга силами 3 дивизий (тд — 1, пд — 2). Прорвав оборону войск 62А, противник вечером 8 августа вышел с севера и юга в район западнее НП Калач и замкнул кольцо окружения вокруг 4 дивизий 62А. 3 дивизии 62А отошли на левый берег р. Дон и развернулись на внешнем оборонительном обводе в полосе Вертячий — Ляпичев. 14 августа отдельные части окруженных дивизий 62А прорвались из окружения и переправились на восточный берег р. Дон.
К 15 августа противник сосредоточил в районе южнее НП Клетская ударную группировку, перебросив сюда соединения, которые были заменены в полосе обороны противника по р. Дон соединениями 8А (итал.). 15 августа ударная группировка 6А противника (пд — 7, тд — 1, мд — 2) нанесла удар в полосе обороны 4 ТА Сталинградского фронта в направлении на НП Трехостровская. Под давлением превосходящих сил противника советские войска были вынуждены отойти за р. Дон и к вечеру 17 августа развернулись на внешнем оборонительном обводе в полосе устье р. Иловля — Вертячий. 17 августа 3 дивизии 1 гв. А, прибывшей из резерва Ставки ВГК, развернулись на рубеже Кременская — Сиротинская — устье р. Иловля и остановили дальнейшее продвижение противника, удержав плацдармы на правом берегу р. Дон.
17 августа 51А, завершив организованный отход войск, заняла оборону, развернувшись на рубеже оз. Цаца — оз. Сарпа (южн.).
Осуществив подготовку 4 ТА к продолжению наступления (9—17 августа), овладев правым берегом р. Дон в большой излучине и значительно улучшив к 17 августа оперативное положение войск 6А, германское командование приняло решение для овладения Сталинградом нанести два одновременных, согласованных по задачам удара:
6А силами 14 тк, 8, 51 ак (пд — 6, тд — 1, мд — 2) — в общем направлении Вертячий — северная часть Сталинграда; действия войск на главном направлении обеспечить силами 17 и 11 ак, прикрывавшими левый фланг ударной группировки;
4 ТА силами ударной группировки (пд — 6, тд — 2, мд — 1) — в общем направлении Абганерово — южная часть Сталинграда; действия сил на главном направлении обеспечить, прикрывая левый фланг силами 6 ак (рум.).
19 августа ударные группировки 6А и 4 ТА противника перешли в наступление. Войска 6А в ходе ожесточенных боев 19—20 августа форсировали р. Дон, 23 августа прорвали оборону Сталинградского фронта на стыке 4 ТА и 62А и к исходу дня вышли к Волге севернее Сталинграда в районе НП Ерзовка. В течение суток 23 августа противник нанес несколько воздушных ударов по Сталинграду, при этом 4-й воздушный флот совершил около 2000 самолето-вылетов. Городу были нанесены значительные разрушения.
Войска Сталинградского фронта нанесли во фланг прорвавшемуся противнику несколько контрударов с севера, из района Самофаловка, что вынудило противника развернуть 14 тк и 8 ак фронтом на север и ослабить удар непосредственно на Сталинград. Выдвинутые на подготовленные рубежи обороны истребительные батальоны, отряды народного ополчения, части 10-й дивизии НКВД, противотанковые истребительные полки отразили попытки передовых частей противника ворваться в город с севера. 62А отходила, ведя упорные бои. К исходу 28 августа противник был остановлен на северо-западных подступах к Сталинграду. 29 августа 62А, отрезанная от основных сил Сталинградского фронта, была передана в состав Юго-Восточного фронта.
4 ТА противника в ходе боев 19—23 августа существенного успеха не имела. Вклинившись в оборону 57А на глубину до 25 км, противник был остановлен введенными в сражение резервами 64 и 57А. Германское командование приняло решение перебросить 48 тк в район северо-западнее Абганерово, изменив район сосредоточения основных усилий. 29 августа оборона 64А была прорвана, и танковые дивизии противника продвинулись в район Гавриловка, создав угрозу тылам 62 и 64А. Упреждая отвод войск 62 и 64А на средний оборонительный обвод, противник преодолел его и вынудил командующего войсками Юго-Восточного фронта отвести войска 62 и 64А сразу на внутренний оборонительный обвод. 2 сентября 62А заняла оборону на участке от Волги до железной дороги Сталинград — Ворошиловград на северных и западных подступах к городу; 64А обороняла участок от железной дороги до Ивановки; правый фланг 57А был развернут по рубежу Ивановка — оз. Цаца.
Выход противника к внутреннему оборонительному обводу создал непосредственную угрозу его прорыва в Сталинград. Ставка ВГК приняла меры для усиления левого крыла Сталинградского фронта. В начале сентября в район севернее Сталинграда из резерва Ставки ВГК прибыли 24А (сд — 5), 66А (сд — 5, тбр — 2), тк — 2, а также было выведено управление 1 гв. А с одной стрелковой дивизией, которому были подчинены прибывшие резервы Ставки ВГК (сд — 6). 4 сентября войска армий развернулись на рубеже Самофаловка — Ерзовка в готовности к ведению активных действий с целью отвлечения части сил ударной группировки противника от участия в сражении за овладение Сталинградом. Из состава 6А противника на Сталинград с севера мог наступать только 51 ак, из состава 4 ТА на южную окраину и Бекетовку — 48 тк. Активные действия армий левого крыла Сталинградского фронта (в течение сентября были проведены 3 наступательные операции) позволили войскам 62 и 64А до 13 сентября задержать противника на внутреннем оборонительном обводе, а в дальнейшем затруднили наращивание им усилий при ведении боев в городе.
В середине сентября противник начал штурм города, в котором участвовали войска 6А с переданным ей 48 тк. 4 ТА должна была очистить от советских войск западный берег р. Волга южнее Сталинграда. До 26 сентября велись бои за центральную и южную части города, с 27 сентября по 4 октября — за заводские поселки Красный» и Баррикады, с 4 октября — за эти заводы. Бои в городе характеризовались исключительным упорством и высокой активностью. Темп наступления противника снижался: в сентябре он составлял 250 м в сутки, в первой половине октября — 60 м, во второй половине октября продвижение противника прекратилось.