作为第二次世界大战具有决定性意义的斯大林格勒战役，在战役开始之前，甚至是战役进行的初期，德军统帅部还都没有将其视为双方的一场决战。在进攻斯大林格勒之前，当面苏军西南方面军已经遭遇重大损失，德军统帅部判断在斯大林格勒地区不会有苏军的重兵集团，所以认为德军会很快夺取这座城市，进而继续东进。
1942年春，德军统帅部制定“1942年夏季攻势”作战计划，即“蓝色行动”计划。该计划将德军1942年的主要进攻方向确定在苏联南部地区，主要进攻目标是高加索地区，夺取那里的产油区。
此时德军南方集团军群尚集中在亚速海的塔甘罗格、哈尔科夫、库尔斯克一线，如果直接南下夺取高加索地区，则其左侧后，即顿河方向的苏军势必会西进，切断其后方补给线，从而迫使德军回撤。所以，在蓝色行动方案中，德军在进攻高加索地区之前，首先要肃清顿河一线苏军，以稳固已占领区域。并以有力部队东进夺取斯大林格勒，确保南下德军的安全。
为此，德军统帅部于1942年6月对庞大的南方集团军群进行改组。其中，利斯特指挥的A集团军群，下辖第11、第17集团军、第1装甲集团军和意大利第8集团军；冯·博克指挥的B集团军群，下辖第2、第6集团军、第4装甲集团军（不久转隶A集群）和匈牙利第2集团军；B集群还将第2集团军、第4装甲集团军和匈牙利第2集团军编为“魏克斯集群”，由第2集团军司令魏克斯指挥。
在随即实施的蓝色1号和蓝色2号行动中，德军将战线推进至顿河右岸，并在尚有夺取了顿河左岸的沃罗涅日。接下来，魏克斯集群按计划在顿河中上游与苏军对峙；得到加强的第6集团军开始东进，执行蓝色3号行动，夺取斯大林格勒；A集团军群则南下实施蓝色4号行动，即进攻高加索，占领格罗兹尼、巴库，夺取丰富的石油资源和工业设施。进而南前出波斯湾。
值得一提的是，德军进攻斯大林格勒的兵力原计划还包括霍特的第4装甲集团军。但苏军在顿河中上游的溃败，让希特勒认为在斯大林格勒方向不会有大量苏军，所以没有必要投入太多兵力。所以临时改变计划，将第4装甲集团军划归A集团军群，以便对高加索地区形成更有威力的打击。这次临时调整，也使德军丧失了快速夺取斯大林格勒的良机。
斯大林格勒位于伏尔加河下游西岸，是苏联欧洲部分东南部的政治、经济和文化中心。铁路和内河运输枢纽，欧亚两洲的咽喉，也是苏联重要的军事工业基地，在军事上具有重要的战略意义，战前人口约60万。
在它的西北方向，顿河由西向东流淌，形成一道天然屏障，至斯大林格勒市区西北60公里处，该河流有一道向南的大弯曲部，顿河流向至此掉头向东南，最终汇入亚速海。在城市以西、以南为广阔的顿河下游地区、库尔班河流域和高加索。这些地区是苏联粮食、石油和煤炭的主要产区。
1941年，乌克兰被德军全部占领后，斯大林格勒便成为苏联中央地区通往南方重要区域的唯一交通线的咽喉。斯大林格勒市区沿伏尔加河西岸延伸，呈狭长形，地势起伏不平，市内有许多高大建筑。城西近郊地势较高，城东河岸陡峭，城南多长条形湖泊。市区附近的伏尔加河河宽1~2公里，水深3至24米。
1942年初，随着苏军在冬季反攻中取得一些进展，战争动员工作的进一步推进，战场上的形势得到了改善，前线各部队的兵力和兵器也得到了补充。在制定1942年作战计划时，苏军统帅部仍然认为德军的主要进攻方向会是战场中段的莫斯科，所以统帅部将后备兵员优先部署在莫斯科周边地区。
斯大林乐观地认为：“莫斯科会战是战争的转折点，我军在冬季作战中已经给敌人沉重打击，现在德军感到兵力不足，补充困难，无法全线进攻。我军要积极防御，积蓄力量，而不是消极等待。应在适当时机主动出击，打乱敌人部署，夺取战场主动权”。
不久，在西南方面军司宁远铁木辛哥的极力建议下，斯大林否定了沙波什尼科夫和朱可夫提出的只在西方面军方向投入局部反攻的意见，要求在哈尔科夫方向的西南方面军实施反攻。
1942年5月，在西南方面军司令员铁木辛哥的指挥下，苏军向德军发起反攻（苏方称“第一次哈尔科夫战役”）。在初期取得一些进展后，铁木辛哥的部队没能抓住有利时机扩大战果，德军则从容调动部队，然后向苏军实施反突击。
至5月底，反攻的苏军伤亡被俘27万余人。不仅如此，苏军西南方面军在遭受重大损失后，顿河中下游地区的兵力已经非常空虚。德军第6集团军沿顿河向东南推进至斯大林格勒的400多公里纵深区域，西南方面军原有的几个集团军虽然没有被德军合围，可一度和方面军司令部失去了联系，能够阻击德军东进的部队仅有大本营新调来的第62、第63两个集团军16万人。而得到加强的德军第6集团军则有14个师、27万余人。
1942年6月底，德军正式分兵。南路A集团军群在利斯特的指挥下沿亚速海直插北高加索地区，B集团军群第6集团军在保卢斯的指挥下沿顿河、顿涅茨河走廊地带向东南方向进攻，企图在行进间夺取斯大林格勒。
直到此时，苏军统帅部才意识到德军的重点进攻不在莫斯科，而是苏联南部的高加索。斯大林格勒的重要性这才凸显出来，如果丢掉了斯大林格勒，德军在高加索方向的进攻则无后顾之忧，苏联也将失去重要的产油区。
不仅如此，德军夺取斯大林格勒以后，可以对莫斯科乃至苏联整个欧洲部分实施大迂回包围，彻底动摇苏军的整个防线。7月4日，苏军统帅部命令第62、第63集团军务必尽量迟滞德军的进攻，并命令新组建的第5预备集团军、预备队第64集团军前往斯大林格勒，以加强防御。
7月12日，苏军统帅部组建斯大林格勒方面军，除第5、第62、第63、第64集团军外，原西南方面军4个集团军余部（上述各集团军在后撤过程中，士兵大量逃往，各师严重缺员。14个师仅剩300～1000人，剩余6个师兵力不满4000人），以及第13、第22、第23坦克军一并编入该方面军。方面军司令员仍是铁木辛哥（10天后，铁木辛哥被免职，此后没有再担任重要职务。继任方面军司令的戈尔多夫也因指挥不力，不久又被免职，8月改由叶廖缅科继任），赫鲁晓夫任军事委员。同时，斯大林委派朱可夫、华西列夫斯基前往斯大林格勒，代表苏军统帅部指挥作战。
为了保卫斯大林格勒及其市区，在斯大林格勒城防委员会的组织下，18万余名斯大林格勒居民在顿河与伏尔加河之间构筑了4道防御地带，即外层围廓、中层围廓、内层围廓和市区围廓。会战开始前，尽管因时间仓促，这些围廓的工程仅完成40%至50%，但仍对城市防御起到不小的作用。
7月17日，由洛帕京指挥的苏军第62集团军所属第192师第676团在顿河草原的普罗宁村与敌军第6集团军先遣部队遭遇，拉开了斯大林格勒战役的序幕。
接战后，德军坦克集群向苏军发起突击，在飞机的支援下，苏军撤退，德军冲向斯大林西北部的顿河大弯曲部。此后，苏军第62、第64集团军各前出部队，在第8空军集团军的支援下，逐次抵抗德军的进攻，至7月22日，德军推进至苏军设在顿河以西的“保障地带”防御阵地。
德军企图向苏军第62、第64集团军翼侧实施包围突击，前出到卡拉奇地域，尔后沿最短路线突向伏尔加河，从行进间攻占斯大林格勒。为此，德军第6集团军主力组成2个突击集群，即北路突击集群（第14装甲军和第8步兵军）和南路突击集群（第51步兵军和第24装甲军）。
7月23日，北路突击集群向苏军第62集团军右翼实施突击，经2天激战，突破苏军防御，并准备夺取顿河上的卡拉奇渡口，同时将顿河西岸的苏军第62集团军近3个师合围。
7月25日，尚未完成组建的第1坦克集团军奉命投入战场，增援第62集团军。在卡拉奇渡口，苏军第1坦克集团军向德军发起反突击，双方爆发大规模坦克交战。混战中，第62集团军被围苏军撤往顿河左岸。同时，朱可夫命令第64集团军第112师北上，在顿河左岸组织防御，阻止德军推进。
7月26日，德军南路突击集群开始进攻，迫使苏军第64集团军右翼后撤，德军前出到下契尔斯卡亚地域，从西南方向威胁斯大林格勒。苏军随即加强了该方向上的防御，至7月30日，德军对苏军第64集团军右翼的进攻被阻止，未能从行进间突破防御。
至此，德军企图在行进间夺取斯大林格勒的计划没能达成。
7月底，鉴于德军在斯大林格勒方向进攻受阻，希特勒将刚刚划给A集群的第4装甲集团军从高加索地区北调斯大林格勒方向。从西南方向沿铁路线实施突击，与西北方向的第6集团军夹击斯大林格勒。如前所述，在德军统帅部制定的计划中，第4装甲集团军本就应该与第6集团军一道进攻斯大林格勒，而希特勒当时认为第6集团军完全可以单独夺取斯大林格勒，遂将该集团军编入A集团军群。
其实，希特勒的最初判断不无道理，7月初，苏军在斯大林格勒的防御的确非常薄弱，第6集团军确实有能力单独夺取斯大林格勒。但是苏联凭借其胜于德国的战争潜力，能够迅速向薄弱地带补充必要的兵力和兵器。
在东线战争开始前，苏联的工业能力就强于德国，即便德国已经占领了法国北部、捷克等欧洲工业发达地区，苏联的工业制造能力也始终不弱于德国。
不仅如此，苏联根据《租借法案》，用本国的原材料从美英两国（主要是美国）获得了数量庞大的战争物资。同时，苏联的人口是德国的两倍（二战期间，德国人口约8000万，苏联人口约1.4亿），在抵御外敌的号召下，以及苏联政府高效和严厉的组织下，后备役兵员能够源源不断地组建新的作战部队。尽管这些部队大多数缺乏正规训练，但在那个特殊时期，苏联也只能让他们在实战中锻炼。这一点，是苏联能够取得最终胜利的最关键因素。
7月28日，斯大林以苏军统帅部的名义发布著名的第227号命令：“无条件地消除退却的情绪；无条件地撤销听任部队撤离阵地的集团军司令员职务，并解送大本营叫军事法庭审讯；在方面军中成立1～3个惩戒营，派中级和高级指挥员前去任职。”
8月初，斯大林格勒战场明显地分成了2个独立的战役方向∶西北方向（维尔德奇、卡拉奇地域至斯大林格勒）和西南方向（阿克萨伊地域至斯大林格勒）。由于斯大林格勒方面军战线此时已从530公里扩展至800公里，兵力不足，且指挥困难，苏军统帅部于8月5日决定，将斯大林格勒方面军分为2个方面军，即斯大林格勒方面军和东南方面军。拆分后的斯大林格勒方面军下辖第62、第21、第63集团军和第4坦克集团军、第16空军集团军，方面军指挥机关仍保留，司令员戈尔多夫。
原斯大林格勒方面军的左翼部队连同统帅部预备队等部队编为东南方面军，下辖第57、第51、第64集团军，以及统帅部预备队近卫第1集团军、第13坦克军和第8空军集团军，司令员叶廖缅科。
此外，由统帅部掌握的战略预备队第24集团军和第66集团军随时准备投入斯大林格勒地域的交战。8月9日，因斯大林格勒方面军司令员戈尔多夫指挥不力，苏最高统帅部又决定建立统一的指挥部由叶廖缅科负责指挥。
8月3日，德军第4坦克集团军开始从西南方向进攻。8月5日，德军进抵阿克塞河，由第64集团军副司令员崔可夫指挥的一个独立战役集群（3个步兵师、1个坦克旅又2个坦克团，1个陆战旅），负责该地段防御。
当天，霍特的第4坦克集团军向苏军发起了10多次进攻，将负责正面防御第138、第157师阵地冲垮。入夜后，崔可夫抵近前沿，观察到德军在一片山谷中集结了大批坦克，遂命令所属部队400多门大炮一起对准山谷实施炮击，德军数十辆坦克被击毁，致使德军计划于次日发起进攻的时间推迟。
8月9日，德军突破崔可夫指挥的防线，夺取“第74公里会让站”。方面军司令员叶廖缅科随即以4个师又1个坦克旅转隶崔可夫。得到增援后，崔可夫立即向德军实施反突击，并将车站夺回，稳定了防线。
在斯大林格勒西北方向，德军第6集团军与苏军第62集团军、第4坦克集团军在顿河一线反复争夺。8月15日，保卢斯以16个师向第4坦克集团军防线突击，并渡过顿河插入苏军侧后，将第62集团军分割包围。8月17日，德军肃清顿河西岸，抵近斯大林格勒外层围廓防御阵地，苏军第62集团军3个师几乎被全歼，斯大林格勒的形势开始恶化。
8月19日，德军统帅部命令第6集团军组成北突击集团，第4装甲集团军组成南突击集团。各抽调9个师的兵力，分别从北、南两个方向，同时对斯大林格勒实施钳形攻势。
为配合这两个突击集团的行动，德军还以2个师由卡拉奇向东推进。这次攻势，德军总共动用了21万人、2700门火炮、600辆坦克和1000架飞机。战至8月23日，德军北突击集团主力渡过顿河，占领顿河东岸（左岸）45公里宽的登陆场，并在斯大林格勒以北前出到伏尔加河岸，切断了苏军第62集团军与斯大林格勒方面军其他部队的联系，对市区形成严重威胁。
8月23日下午和夜间，德空军出动2000多架次飞机对斯大林格勒实施空袭，市区遭到严重破坏。在伏尔加河畔的储油池被引燃，燃烧的石油四处流淌，铺成一条条长长的火线流向各条街道和伏尔加河，街道旁的建筑物和停靠在河边的轮船被烧毁，方面军司令部与大本营的通信一度中断。
根据方面军司令员叶廖缅科的命令，苏军所有飞机出动，向对斯大林格勒实施空袭的德军飞机实施拦截，双方在空中爆发大规模空战，仅在当天德军飞机被击落120架。同样在23日，德军窜入斯大林格勒西北郊拖拉机厂，这里在战时已经转产T-34中型坦克，当德军抵近时，厂区拉响警报，工人们拿起武器组成多个歼击营，与苏军第99坦克旅一道巩固住了防线。
当晚，苏军又集结3个步兵师和1个坦克军向突入斯大林格勒西北地区的德军第14装甲军反击，该部德军在当天的进攻中，形成了一条长60公里、宽8公里的走廊，将东南方面军和斯大林格勒方面军的联系切断。但由于德军坦克部队突入过快，步兵没有及时跟进，所以苏军的反击奏效，至24日凌晨2时，苏军恢复了两个方面军的联系，德军第14装甲军后撤。
随后几天，苏联统帅部不断向斯大林格勒地区输送新兵、弹药、燃料、粮食和装备，8月26日，朱可夫被任命为最高副统帅，29日，作为统帅部全权代表再次赶到斯大林格勒，协调和组织斯大林格勒的防御作战。
9月3日，为缓解东南方面军城防压力，苏军斯大林格勒方面军第24、第66集团军和近卫第1集团军从北面向德军发起反击。在进攻最初的两天，由于遭到德军航空兵和坦克部队的迟滞，苏军的进展不大，仅推进了2~4公里。5日，经过一轮更有力的炮火和空袭准备，苏军发起第二轮进攻。2个小时后，各路苏军从多处突破德军阵地。德军则紧急投入预备队，并从进攻斯大林格勒正面的部队中抽调一部分兵力回援，双方战斗陷入胶着。
自9月6日的几天，双方处于一种对峙状态下的火力对射，都没有出动步兵部队，战线暂时稳定下来。
接下来，苏德双方将进行一场二战史上最残酷的城市攻防战……