В первых числах августа 4-я танковая армия Гота, первоначально наступавшая на Кавказ, изменила направление удара и перешла в наступление на Сталинград. Немцы наступали с юга вдоль железной дороги от станции Абганерово на Красноармейск, южнее которого создавалась угроза их прорыва к Волге. Именно сюда были брошены все имеющиеся резервы советского командования.
Однако, не позволяя стабилизировать фронт, немцы тут же нанесли удар силами 6-й армии Паулюса в излучине Дона, где 8 августа западнее Калача-на-Дону сомкнулись «клещи» XIV (командующий Густав Антон фон Витерсхайм) и XXIV (командующий барон Вилибальд фон Лангерман унд Эрленкамп) танковых корпусов, и оборонявшиеся на западном берегу Дона части и соединения 62-й армии (более 30 тыс. человек) оказались в окружении. Как пишет Алексей Исаев, «немцы методично перемалывали окруженных. К 23.00 13 августа из окружения вышли только 160 человек батальона связи 229-й дивизии и 27 человек из состава 147-й стрелковой дивизии во главе с командиром генерал-майором Вольхиным». В оперативной сводке № 90 штаба 62-й армии к 18.00 14 августа говорилось: «Новых сведений о положении 33 гв., 181, 147, 229-й сд не поступило. Отдельные мелкие группы переправлялись на восточный берег р. Дон в полосе 131-й и 112-й сд». К 15 августа плотно обжатые со всех сторон дивизии 62-й армии были уничтожены — это к вопросу о том, почему в Сталинграде предстояло обороняться только чекистам. Больше на тот момент там просто никого не было, а 62-ю армию, которую 12 сентября возглавил генерал-лейтенант Василий Иванович Чуйков, практически создавали заново.
22 августа к 7.30 утра 6-я армия Паулюса форсирует Дон на рубеже Песковатка — Вертячий и захватывает плацдарм на его восточном берегу в 60 км от Сталинграда. В течение дня на восточный берег Дона переправились 44, 76, 295, 305, 394 и 389-я пехотные дивизии. В ночь на 23 августа к ним присоединились три дивизии XIV танкового корпуса. Ранним утром 23 августа все эти соединения веером разошлись с плацдарма. Противостоящая им 98-я стрелковая дивизия 62-й армии была буквально развеяна по ветру.
На острие главного удара вдоль шоссе на Гумрак наступал XIV танковый корпус. В полдень командиры танков справа на горизонте увидели очертания города: водонапорные башни, заводские трубы и высокие дома, которые виднелись сквозь дым пожаров. В этот день 4-й воздушный флот люфтваффе подверг город внезапной ужасающей бомбардировке, уничтожив более половины жилого фонда. Стояла сухая жаркая погода, поэтому образовался огромный огненный вихрь, температура в центре которого доходила до 1000 °C. Он дотла сжёг центральную часть города и всех его жителей.
Командующий фронтом Андрей Иванович Ерёменко вспоминал: «Многое пришлось пережить в минувшую войну, но то, что мы увидели 23 августа в Сталинграде, поразило нас как тяжелый кошмар. Беспрерывно то там то здесь взметались вверх огненно-дымные султаны бомбовых разрывов. Из района нефтехранилищ огромные султаны пламени взмывали к небу и обрушивали вниз море огня и горького, едкого дыма. Потоки горящей нефти и бензина устремлялись к Волге, горела поверхность реки, горели пароходы на сталинградском рейде, смрадно чадил асфальт улиц и тротуаров, мгновенно, как спички, вспыхивали телеграфные столбы. Здания ватной фабрики, расположенные против командного пункта, были объяты пламенем и клубами дыма; многие из них рухнули, изуродованные скелеты других страшно дымились…»
В 16 часов ударная группировка немцев прорвалась к Волге севернее Сталинграда вдоль железнодорожной ветки Гумрак — Орловка — Рыно́к. В какой-то момент их задержал 1077-й зенитный полк, подавляющую часть которого составляли девушки. Немецкие танкисты первыми открыли по ним огонь. Но в ответ девушки стали расстреливать танки прямой наводкой, уничтожив 33 танка. Только вызвав поддержку в виде пикирующих бомбардировщиков Ju 87 «штука», немцы двинулись вперёд, давя и зенитки, и девушек. Почти все зенитчицы погибли.
К вечеру немецкие танки появились в районе Сталинградского тракторного завода, в 1–1,5 км от заводских цехов, и начали его обстрел. Однако путь им преградил переброшенный сюда форсированным маршем 282-й полк 10-й дивизии НКВД, занявший позиции по южному берегу реки Мокрая Мечётка, и сводный отряд рабочих завода. Силами 1-го батальона 282-й полк отбросил немцев на 3 км назад в сторону Орловки.