Thượng tuần tháng 5 năm 1942, quân đội Đức Quốc xã bắt đầu mở cuộc tấn công trên toàn bộ cánh Nam của Mặt trận Xô-Đức với mật danh Fall Blau (Chiến dịch xanh).[13] Sau khi chọc thủng tuyến phòng ngự của tập đoàn quân 18 (Liên Xô) vào ngày 13 tháng 7, quân Đức bao vây và chiếm thành phố Rostov-na-Donu.[14] Ngày 20 tháng 5, Tập đoàn quân xe tăng 1 (Đức) của tướng Paul Ludwig Ewald von Kleist đánh bại cuộc phản công của Phương diện quân Tây Nam (Liên Xô), bao vây và đánh tan các tập đoàn quân 6 và 59 tại chỗ lồi Izyum - Barvenkovo, buộc các phương diện quân Tây Nam và Nam của Liên Xô phải rút lui về tuyến sông Bắc Donets và Oskon.[15] (xem Chiến dịch Barvenkovo-Lozovaya)

Ngày 2 tháng 6 năm 1942, Hitler chia Cụm tập đoàn quân Nam gồm 4 tập đoàn quân dã chiến (2, 6, 11, 17) và 2 tập đoàn quân xe tăng (1, 4) đang hoạt động ở cánh Nam mặt trận Xô-Đức thành hai Cụm tập đoàn quân. Cụm tập đoàn quân A do thống chế Wilhelm List chỉ huy gồm các tập đoàn quân 11, 17 và tập đoàn quân xe tăng 1 có nhiệm vụ đánh chiếm vùng Kuban và Bắc Kavkaz, tiến đến vùng dầu mỏ Baku (Chiến dịch Kavkaz). Cụm tập đoàn quân B do thống chế Maximilian Freiherr von Weichs chỉ huy gồm các tập đoàn quân 2, 6 và tập đoàn quân xe tăng 4 có nhiệm vụ đánh chiếm Stalingrad và tiến đến bờ biển Caspi tại Astrakhan.[16] Để có đủ quân số trên hướng Stalingrad, Cụm tập đoàn quân B còn được tăng viện các tập đoàn quân 3, 4 (Romania), tập đoàn quân 8 (Ý) và tập đoàn quân 2 Hungary. Nhiệm vụ đánh chiếm Stalingrad được giao cho Tập đoàn quân 6 phụ trách cánh Bắc và Tập đoàn quân xe tăng 4 phụ trách cánh Nam. Vì lý do này mà ngày 1 tháng 7, Tập đoàn quân xe tăng 4 (Đức) đã chiếm bàn đạp quân sự Tsimlianskaya phía Nam sông Đông đang nhằm hướng Bắc Kavkaz đã ngoặt lên Đông Bắc, tấn công Stalingrad từ hướng Tây Nam.[17] Ở sườn phải của cánh quân Đức tấn công Stalingrad là Tập đoàn quân 4 Romania. Ở sườn trái cánh quân này là Tập đoàn quân 3 Romania, phía sau nó là Tập đoàn quân 8 Ý. Các tập đoàn quân này được sự yểm trợ mạnh từ trên không của Tập đoàn quân không quân 4 (Luftflotte 4) của không quân Đức (Luftwaffe).[18] Ngày 23 tháng 7, Tập đoàn quân 6 (Đức) đánh bật Tập đoàn quân 62 (Liên Xô) khỏi bờ Đông sông Chir và tiến đến bờ Tây sông Đông ở Kamensk. Ngày 7 tháng 8, hai quân đoàn thiết giáp của Đức đã tấn công và bao vây 3 sư đoàn bộ binh và một lữ đoàn xe tăng của quân đội Liên Xô tại Mayorskiy, đưa các lực lượng lớn tiến đến Vekhne - Budionnovka (???) và Sukhnovsky (???).[19] Ngày 22 tháng 8, quân Đức bắt đầu vượt sông Đông và tiến rất nhanh về khúc cong lớn của sông Volga.[20] Ngày 23 tháng 8, các đơn vị đi đầu của Tập đoàn quân 6 (Đức) đã chọc thủng vòng trong tuyến phòng ngự của Tập đoàn quân 64 (Liên Xô) và xâm nhập khu vực ngoại ô Stalingrad tại Tinguta.[21][22]

Đến tháng 11, Tập đoàn quân số 6 đã chiếm giữ gần hết Stalingrad, đẩy lực lượng phòng thủ của Liên Xô về hai triền sông Volga.[23] Ở giai đoạn này, thông tin thu được từ sự thẩm vấn tù binh Liên Xô có nhiều dấu hiệu cho thấy quân Liên Xô chuẩn bị cuộc tấn công nhằm vào quân Đức ở xung quanh thành phố, bao gồm sự tăng cường các hoạt động của quân Liên Xô ở phía đối diện hai mạn sườn của Tập đoàn quân số 6.[24] Tuy nhiên, Bộ tư lệnh Đức vẫn tập trung hơn vào việc hoàn tất công cuộc đoạt lấy Stalingrad.[25] Thực tế, người đứng đầu Bộ Tổng tham mưu lục quân Đức, Đại tướng Franz Halder đã bị cách chức vào tháng 9 sau khi ông ta cố gắng cảnh báo mối hiểm họa ngày càng tăng dọc theo hai bên sườn vốn được dàn ra quá rộng của Tập đoàn quân 6 và Tập đoàn xe tăng 4.[26] Ngay đầu tháng 9, Bộ Tổng tư lệnh tối cao Liên Xô (Stavka) bắt đầu lập kế hoạch cho một chuỗi các đợt phản công để hoàn thành việc tiêu diệt quân Đức ở phía nam, chiến đấu tại Stalingrad và Kavkaz và chống lại Cụm tập đoàn quân Trung tâm của Đức.[27] Cuối cùng, quyền chỉ huy các cố gắng giải vây Stalingrad của Liên Xô được đặt dưới sự lãnh đạo của Thượng tướng Aleksandr Vasilevsky.[28].

Tại khu vực Stalingrad, Bộ Tổng tư lệnh tối cao Liên Xô triển khai hai chiến dịch quan trọng chính chống lại quân Đức gồm: Chiến dịch Sao Thiên Vương (Operatsiya Uran) và Chiến dịch Sao Thổ (Operatsiya Saturn) đồng thời cũng lên kế hoạch cho Chiến dịch Sao Hỏa (Operatsiya Mars) vốn được trù tính để kiềm chế với Cụm tập đoàn quân Trung tâm của Đức trong một nỗ lực gây rối loạn quân tiếp viện và gây ra càng nhiều thiệt hại càng tốt.[29] Chiến dịch Sao Thiên Vương đòi hỏi Liên Xô phải sử dụng bộ binh và cơ giới hóa quy mô lớn để bao vây trực tiếp quân Đức và quân phe Trục xung quanh Stalingrad.[30] Theo kế hoạch được Đại bản doanh Bộ Tổng tư lệnh tối cao Liên Xô thông qua ngày 15 tháng 11 năm 1942, các mũi tấn công đầu tiên được xác định hợp điểm tại khu vực Kalach ở phía sau Tập đoàn quân số 6 và Quân đoàn xe tăng 14 của Tập đoàn quân xe tăng 4 của Đức, không cho người Đức có khả năng tăng viện nhanh cho các tập đoàn quân 3 và 4 của Romania cũng như tập đoàn quân 8 của Ý đang phòng ngự với đội hình không có chiều sâu tại hai bên sườn cụm quân Đức.[31] Cuộc tấn công của quân đội Liên Xô dự kiến gồm hai hướng tấn công hợp điểm từ phía Bắc và phía Nam Stalingrad; mỗi hướng tấn công gồm hai mũi. Các mũi phía ngoài do các quân đoàn cơ giới thực hiện các đòn đánh thọc sâu vào phía sau hậu tuyến của quân Đức trong khi một mũi tấn công phía trong sẽ dồn Tập đoàn quân số 6 và Quân đoàn xe tăng 14 của tập đoàn quân xe tăng 4 vào một khu vực hẹp từ làng Gumrak đến ngoại ô phía Tây Bắc Stalingrad.[32] Trong khi Hồng quân ráo riết chuẩn bị thì các tướng lĩnh cao cấp của Đức lại tin rằng đối phương của họ đang dần tập trung lực lượng dự bị ở phía đối diện với Cụm tập đoàn quân Trung tâm của Đức để tiến công tại cánh Bắc. Họ cho rằng Quân đội Liên Xô không đủ lực lượng để mở hai cuộc tấn công đồng thời ở cả hai hướng: phía trước Moskva và phía trước Stalingrad.[33]