此時，蘇軍通信與物資供應面臨明顯的威脅，蘇軍部隊自身也面臨著被包圍的危險。同時，德軍從南北兩面對蘇軍第28集團軍兩翼實施反突擊。5月19日，鐵木辛哥命令部隊在巴爾文科沃突出部轉入防御，但這一決心已為時過晚。哈里托諾夫指揮的蘇軍第9集團軍全線崩潰，蘇軍左翼被德軍突入80公里。為了應對這種致命的威脅，格羅德恩揚斯基指揮蘇軍第6集團軍向保盧斯的德軍第6集團軍發起攻擊。20日，雙方都在對巴爾文科沃突出部和突出部周圍的部隊進行調整。蘇聯軍隊的行動因為德國空軍的騷擾和糟糕的通訊條件而一再遭受妨礙。22日，德國軍隊試圖完全卡死這個包圍圈，鐵木辛哥的反應是命令第38集團軍的主力部隊去向西突破德軍的防線并恢復與德軍包圍圈內部隊的接觸，但未成功。23日，克萊斯特集群與德軍第6集團軍在巴拉克列亞以南會合，切斷了蘇軍由巴爾文科沃突出部向北頓涅茨河對岸退卻的道路，將蘇軍第6與第57集團軍的全部以及第9與第38集團軍的部分部隊包圍。不僅如此，已經完成了包圍圈的德國軍隊還進一步試圖加寬封鎖帶。克萊斯特的裝甲戰斗群從第14個裝甲師戰區向東拓寬了這個包圍圈的外圈。同時第60摩托化步兵師，第384、第389步兵師和第100輕步兵師向西成扇形展開牢牢的擋住了包圍圈內的敵人退路。
5月25日包圍圈內的蘇軍用最后一點實力向東發起了攻擊，妄圖突圍，但遭受了德國炮火和連續的空襲。盡管這樣，在遭受了重大損失后，突圍部隊還是沖破了德第60摩托化步兵師和第389步兵師的防線。29日，蘇軍第6、第9和第57集團軍主力，包括20個步兵師、7個騎兵師和14個坦克旅的大部被圍殲。只有約2.2萬人的蘇聯突圍部隊沖破了德第384步兵師的后方并和蘇第38集團軍恢復了聯系。
至5月29日，被圍蘇軍大部分被殲。蘇軍西南方面軍副司令員科斯堅科中將、第57七集團軍司令員波德拉斯中將、9集團軍司令員戈羅德揚尼斯中將、戰役集群司令員博布金少將陣亡。蘇軍共25萬人被俘，損失坦克1249輛，火炮2026門。
幾乎與此同時，蘇軍在克里米亞也遭失敗。在德軍進攻的12天里，曾在兵力上擁有很大優勢的克里米亞方面軍損失176566人，347輛坦克，3476門火炮和迫擊炮，400架飛機。這是紅軍的又一次慘敗。
哈爾科夫戰役拉開了斯大林格勒會戰的序幕，德軍重新奪回部分戰略主動權，暫時處于優勢地位。德軍奪取了巴爾文科沃突出部，為即將發動的攻勢占據了有利的進攻出發陣地。
■“藍色計劃”
莫斯科會戰后，德軍士氣開始下降。兵員和物資日感不足，其仆從國匈牙利、羅馬尼亞以及意大利也產生了疑慮。希特勒被迫放棄了全面進攻計劃，決定于1942年夏季，集重兵于蘇德戰線南翼。同時，向高加索和斯大林格勒實施重點進攻。因為斯大林格勒是蘇聯內河航運干線——伏爾加河上的重要港口，又是蘇聯南方的一個鐵路交通樞紐和重要工業城市，擁有一家大型拖拉機廠——斯大林格勒拖拉機廠。斯大林格勒以西、以南是廣闊富饒的頓河下游流域、庫班河流域和高加索地區，是蘇聯糧食、石油和煤炭的重要產區。1941年，德軍占領烏克蘭后，斯大林格勒成為蘇聯中央地區通往南方重要經濟區域的唯一交通咽喉，戰略位置極為重要。如果德軍占領這一地區，蘇聯就會失去戰爭所需要的石油、糧食和重要的工業基礎，而德國此時也迫切需要這些資源。
1942年4月5日，希特勒發布了第41號訓令。訓令規定：在中路放慢進攻速度；在北面，應攻陷列寧格勒，并與芬蘭軍隊建立陸上聯系；在戰線南翼，應突入高加索地區。考慮到冬季會戰的后果，可能使用的兵力兵器和運輸狀況，上述目標只能逐步達到。因此，目前應把所有可以動用的兵力集中到南段主要作戰方向，旨在殲滅頓河前面的敵人，接著占領高加索地區的油田和通往高加索山脈的通道。
為實施上述戰略意圖，德軍最高統帥部新組建了Ａ、Ｂ兩個集團軍群。Ａ集團軍群由利斯特元帥指揮，下轄克萊斯特上將的第1裝甲集團軍和魯夫上將的第17集團軍，由空軍第4航空隊進行空中支援，其任務是攻占高加索地區；Ｂ集團軍群由博克元帥指揮，下轄霍特上將的第4裝甲集團軍、魏克斯上將的第2集團軍和保盧斯上將的第6集團軍，由空軍頓河地區航空隊進行空中支援，其任務是攻占斯大林格勒，掩護Ａ集團軍群的北翼。在Ａ、Ｂ兩個集團軍群的后方，又有第二線兵力，由匈牙利第2集團軍、意大利第8集團軍和羅馬尼亞第3集團軍組成。此外，在克里米亞地區，還有曼施坦因上將的第11集團軍和羅馬尼亞第4集團軍。總兵力計60個德國師，其中10個裝甲師、6個摩托化師，另外還有43個師的附庸國部隊。
按照希特勒的要求，德軍最高統帥部擬定了1942年夏季南方作戰計劃，代號“藍色行動”。其主要內容是：利斯特A集團軍群以克萊斯特第1裝甲集團軍為左翼，魯夫第17集團軍為右翼，分別從哈爾可夫南面和塔甘羅格北面向東和東南方向進攻，占領頓河下游的羅斯托夫，向南進軍以控制高加索地區的油田；包括B集團軍群以霍特第4裝甲集團軍和魏克斯第2集團軍為左翼，保盧斯第6集團軍為右翼，分別從庫爾斯克南面和哈爾可夫北面向東和東南方向突擊，占領頓河上游的沃羅涅日，向斯大林格勒前進。
由此看來，雙方都在厲兵秣馬，準備更大規模的戰役，以爭奪戰略主動權。一場戰爭即將爆發。
■頓河在燃燒
德軍對蘇聯南部的進攻始于1942年6月28日，緊隨其后的是其盟軍意大利、羅馬尼亞和匈牙利軍隊，他們的任務是確保德軍綿長側翼的安全。蘇軍的前線部隊在德軍的閃擊下很快崩潰了，德軍勢不可擋地沖向南俄的最后一道屏障——伏爾加河。
6月28日，博克Ｂ集團軍群左翼霍特第4裝甲集團軍和魏克斯第2集團軍突然從庫爾斯克向東攻擊，直指頓河上游的沃羅涅什。此時，蘇軍采取了機動靈活的防御戰，有條件就打，沒有條件就主動撤退，避免陷入包圍。6月30日，右翼保盧斯第6集團軍也從哈爾科夫東北發起了進攻，向東南挺進，以斯大林格勒為目標。在沃羅涅日方向上蘇軍所有方面軍的預備隊都投入作戰。隨著預備隊的不斷投入，沃羅涅日方面局勢稍有緩和，但沒有消除德軍突破頓河以及沿頓河向斯大林格勒方面突擊的嚴重風險。
7月2日，霍特第4裝甲集團軍的前鋒已逼近沃羅涅什。但希特勒卻突然決定不占領該城，他命令霍特在接替第2集團軍后，迅速轉向南面沿頓河向斯大林格勒前進。博克元帥卻想占領沃羅涅什，以徹底殲滅該地域內的蘇布良斯克方面軍主力。希特勒大為惱怒，當即撤銷了博克的Ｂ集團軍群司令之職，由第2集團軍司令魏克斯上將接任。利斯特Ａ集團軍群于7月9日向高加索方向發起進攻。其左翼克萊斯特第1裝甲集團軍從哈爾科夫南面向頓尼茲河北岸進擊。魯夫第17集團軍則從塔甘羅格北面向伏羅希洛夫格勒進攻。由于剛在哈爾科夫之戰中吃過德軍合圍的虧，蘇軍的許多部隊生怕再陷入包圍，所以倉惶后撤。
7月17日，霍特第4裝甲集團軍推進到頓河中游，保盧斯第6集團軍也前出到頓河大彎曲部。在高加索方向，克萊斯特第1裝甲集團軍渡過了頓尼茲河，向頓河下游的羅斯托夫前進，魯夫第17集團軍則占領了伏羅希洛夫格勒。然而，讓人沒想到的是希特勒又一次改變了計劃，命令霍特第4裝甲集團軍從斯大林格勒方向南下，轉屬Ａ集團軍群，以支援克萊斯特第1裝甲集團軍強渡頓河下游。這樣，就只有保盧斯的第6集團軍在進攻斯大林格勒了，然而第6集團軍的行動卻又有賴于第4裝甲集團軍的合作。
保盧斯的第6集團軍繼續向斯大林格勒前進。該集團軍轄有6個軍，其中兩個裝甲軍，計14個師約27萬人，近500輛坦克，3000門火炮和迫擊炮，由第4航空隊1200架作戰飛機進行支援。
7月12日，蘇軍最高統帥部在西南方面軍原有基礎上組建了斯大林格勒方面軍，鐵木辛哥元帥任司令員，擔負斯大林格勒方向的防御任務。該方面軍編成內有從大本營預備隊調來的第62、第63、第64集團軍，原西南方面軍的第21、第28、第38、第57集團軍殘部，第13、第22、第23坦克軍，以及空軍第8集團軍和海軍伏爾加河區艦隊。計12個師約16萬人、2200門火炮和迫擊炮、近400輛坦克和454架飛機。
1942年7月17日，蘇德雙方在斯大林格勒附近展開了激烈的交戰，會戰正式開始。從7月17日到22日，德第6集團軍開始猛攻第62、63集團軍陣地。這些戰斗是斯大林格勒戰役的開始。
7月23日，德軍突破蘇軍第62集團軍右翼，合圍了該集團軍的２個師，攻擊到斯大林格勒西面的頓河河岸。面對此種形勢，斯大林立即撤銷了斯大林格勒方面軍司令員的職務，由第64集團軍司令戈爾多夫中將接任，并派總參謀長華西列夫斯基上將作為最高統帥部代表前往斯大林格勒協助指揮戰事。斯大林還決定將預備隊的坦克第1和第4集團軍火速調往斯大林格勒地域，又從遠東調來10個師加強斯大林格勒的防御。
1942年7月28日，斯大林為阻止軍隊的潰退作了一次近乎絕望的嘗試，發布了第227號命令：“蘇聯官兵必須堅守蘇聯的每一寸土地，直到流盡最后一滴血。”秘密警察也被安插在蘇聯前線部隊的后方，用來處決任何放棄抵抗和撤退之人。但是，盡管蘇斯大林格勒方面軍的第62，64集團軍盡了最大努力，但還是不能阻止德軍對斯大林格勒的進攻。
7月30日，希特勒又作了一個影響命運的決定。他宣布，因為高加索的命運是將要在斯大林格勒決定，所以由于這個會戰的重要性，遂有從Ａ集團軍群抽調兵力以增強Ｂ集團軍群之必要。于是，霍特的第4裝甲集團軍又歸還給Ｂ集團軍群，并于8月1日奉命沿科捷爾尼科沃—斯大林格勒鐵路向東北方向進擊，當天迅速突破了蘇第51集團軍的防線，占領了蒙特納亞。
8月3日，霍特攻占了科捷爾尼科沃，接著又于5日突破了蘇第64集團軍的防御，前出到阿勃加涅羅沃地域，但之后遭到了蘇軍越來越頑強的抵抗和反擊，霍特只好放棄了獨立攻占斯大林格勒的想法，于8月9日轉入守勢。
8月5日，蘇軍最高統帥部決定將斯大林格勒方面軍改組為東南、斯大林格勒兩個方面軍，由華西列夫斯基上將統一指揮。東南方面軍由葉廖緬科上將指揮，編成內有第64、第57、第51集團軍，以及坦克第1集團軍、坦克第13軍和空軍第8集團軍。斯大林格勒方面軍仍由戈爾多夫中將指揮，編成內有第63、第62、第21集團軍，以及坦克第4集團軍、坦克第28軍和空軍第16集團軍。
8月19日，保盧斯和霍特重新發起了進攻。保盧斯第6集團軍從斯大林格勒西北面的特列赫奧斯特羅夫卡亞向東南攻擊，22日，突破蘇第62集團軍在韋爾加奇和彼斯科瓦特卡地段的防線，強渡頓河，占領了卡拉奇。
8月23日，德第6集團軍的先頭部隊已進抵伏爾加河，斯大林格勒北部，并沿河占領了寬8英里的狹長地帶，德軍的坦克和炮兵已經開始攻擊蘇軍的船只。這一天，德國飛機對斯大林格勒進行了瘋狂的轟炸，一晝夜出動飛機2000多架次。城市遭到嚴重破壞，滿城一片火海。在隨后的幾周里，第4航空隊的數百架轟炸機持續猛烈轟炸這個城市，摧毀了這個城市的幾乎每一棟建筑。斯大林格勒戰役正式開始。
■戰役打響
在最初幾天的戰斗中，斯大林格勒守軍從一開始就進行了瘋狂的抵抗，但面對德軍的瘋狂進攻，蘇軍越來越意識到形勢的嚴峻。為此，斯大林在這樣一個緊急關頭，起用了朱可夫，讓他坐鎮指揮這一戰役，并決定立即調撥第24、第66集團軍和近衛第1集團軍開赴斯大林格勒。8月29日，朱可夫飛到斯大林格勒，立即著手組織第24、第66集團軍和近衛第1團軍的反擊行動。
9月3日，斯大林格勒的形勢惡化了。德軍距斯大林格勒僅3公里。如果北部集團部隊不立即援助，斯大林格勒就有可能在隨后一兩天被攻占。斯大林格勒剩下的飛機很少了。9月5日拂曉，朱可夫將3個新銳集團軍投入反擊。激烈的戰斗持續到傍晚，蘇近衛第1集團軍才前進了2～4公里，而第24集團軍幾乎仍停留在原陣地。9月6日，蘇軍再次發起沖擊，但是，這次沖擊又一次被德軍擊退了。9月10日，蘇軍試圖從北面實施突擊，恢復同第62集團軍的聯系，又遭到失敗。9月12日，斯大林召集朱可夫和華西列夫斯基開會，討論斯大林格勒的局勢，他們一致認為必須尋求另一種解決辦法。
在高加索方向，利斯特Ａ集團軍群正以高速前進。8月9日，克萊斯特第1裝甲集團軍占領了梅柯普油田。8月22日，克萊斯特的士兵在海拔5600多米的厄爾魯斯山峰上升起了第三帝國的萬字旗。8月25日，克萊斯特部又攻占了莫茲多克，距格羅茲尼四周的蘇聯最大產油中心只有50英里，距里海也只有100英里。8月31日，希特勒要求Ａ集團軍群司令利斯特元帥傾其所有的力量向格羅茲尼作最后進攻，盡快拿下油田。但未能如愿。為此，9月9日，希特勒免去了利斯特元帥的Ａ集團軍群司令的職務，由第1裝甲集團軍司令克萊斯特上將接任，第1裝甲集團軍司令則由麥肯森將軍繼任。克萊斯特上任后，雖然竭盡全力，也無法再前進一步。這里最主要原因是缺乏燃油。
德軍在蘇聯南部的戰線是從庫爾斯克和沃羅涅什起，通過斯大林格勒到莫茲多克，長達2000公里以上。再加上從庫爾斯克到列寧格勒之間的1280公里，德軍在蘇聯的戰線全長已在3200公里以上，而以德國的兵力和資源，根本就不足以維持如此長的戰線。這也是前面沒有沖擊力的原因。