Советское командование вновь было вынуждено принимать «пожарные» меры к уничтожению прорвавшейся к Волге группировки. Не ожидая полного сосредоточения резервов, в районе Котлубани создавалась ударная группа. В ее состав вошли 28-й танковый корпус, 169-я танковая бригада, 35-я, 27-я гвардейские и 298-я стрелковая дивизии. На подходе были 4-й и 16-й танковые корпуса и стрелковые соединения из резерва Ставки. Эта группа, возглавляемая заместителем командующего Сталинградским фронтом генерал-майором К.А. Коваленко, должна была нанести удар на юго-запад, закрыть прорыв у Котлубани и Большой Россошки и выходом к Дону восстановить положение. Еще одна группа в составе свежего 2-го и 23-го танковых корпусов под общим командованием начальника автобронетанковых сил войск фронта генерал-лейтенанта А.Д. Штевнева нацеливалась из района Орловки в общем направлении на Ерзовку. Корпус генерала Хасина к этому времени был пополнен техникой, людьми и имел 195 танков Т-34.
Одновременно 62-я армия получила задачу правым флангом нанести удар в северном направлении на Вертячий и соединиться там с левым флангом 4-й танковой армии, наносящим удар в южном направлении.
Таким образом, бросив в бой 650 танков, планировалось искромсать втянувшуюся в узкий коридор ударную группировку противника и восстановить фронт по левому берегу Дона.
Танковый корпус Виттерсгейма имел в своем составе 16-ю танковую, 3-ю и 60-ю мотодивизии. Следовавшие за ним пехотные части 8-го корпуса растянулись в образовавшемся 60-километровом коридоре от Вертячего до Волги. Фланги прорыва удерживали заслоны 384-й и 295-й пехотных дивизий.
Группа генерала Коваленко, не дожидаясь подхода танковых корпусов, перешла в наступление в 18 часов 23 августа, через пять часов после получения приказа. Две ее дивизии, встретив упорное огневое противодействие, продвинуться не смогли. Третья дивизия совместно с 169-й танковой бригадой, которой командовал полковник А.П. Коденец, разгромила противостоявшего им противника и соединились с войсками 62-й армии, отрезав германский танковый корпус от основных сил. Однако развить успех не удалось, немцы вскоре восстановили сообщение по коридору. Группа генерала Штевнева перешла в наступление 24 августа. Она продвинулась на 6 км и завязла в немецкой обороне севернее Орловки.
26 августа Коваленко ввел в сражение 4-й и 16-й танковые корпуса, свежие 24, 84, 315-ю стрелковые дивизии, однако их наступление велось на широком фронте, без ярко выраженного направления главного удара и оказалось безуспешным.
В последующие дни 2-й, 4-й, 16-й, 23-й и 28-й танковые корпуса совместно со стрелковыми дивизиями почти непрерывно штурмовали вражеские позиции, но полностью изолировать и разгромить прорвавшуюся группировку не смогли, хотя ширина коридора в районе Котлубань сократилась до 4 км. Немцы, заняв круговую оборону, стояли насмерть, организовав эффективную систему огня и на полную мощь задействовав свою авиацию. Немецкие самолеты методически бомбили и обстреливали советские войска еще на марше, не давая возможности в течение светлого времени организованно подготовиться и вступить в бой.
До начала сентября три дивизии 14-го танкового корпуса находились в критической обстановке на берегу Волги, отбивая советские атаки, получая снабжение по воздуху и от небольших групп, пробивавшихся к нему ночью. Генерал Виттерсгейм хотел даже оставить свои позиции, но Паулюс запретил отход. Дискуссия закончилась смещением с должности засомневавшегося в успехе Виттерсгейма; корпус возглавил однорукий «папа Хубе».
Встречные контрудары левофланговых сил армии Крюченкина и правофланговых частей армии Лопатина с целью выхода на левый берег Дона на участке Песковатка, Вертячий также не имели успеха. Лишь войскам 63-й и 21-й армий, осуществлявших вспомогательный удар на правом крыле Сталинградского фронта, в результате упорных боев удалось захватить юго-западнее Серафимовича плацдарм в 50 км по фронту и до 25 км в глубину.
Об организации боевых действий 4-й танковой армии рассказывает докладная записка Особого отдела: