Cụm Tập đoàn quân Nam là lực lượng được chọn để mở mũi công kích hướng về những thảo nguyên miền Nam nước Nga sau đó tiến về khu vực Kavkaz để đánh chiếm những vựa dầu lớn của Liên Xô tại đây. Chiến dịch tấn công mùa hè nhằm vào miền Tây Nam Liên Xô mang mật danh Fall Blau ("Chiến dịch Blau"). Lực lượng thực thi chiến dịch này bao gồm các Tập đoàn quân số 6, số 17, Tập đoàn quân thiết giáp số 4 và số 1. Cụm Tập đoàn quân Nam đã chiếm đóng phần lớn lãnh thổ của Cộng hòa Xã hội chủ nghĩa Xô Viết Ukraina ngay từ năm 1941. Tập trung chủ yếu ở miền Đông Ukraina, đây là lực lượng sẽ đảm nhiệm vai trò mở mũi tấn công vào các thảo nguyên Tây Nam nước Nga.

Tuy nhiên Hitler lại can thiệp vào kế hoạch hành quân, ông ta chia Cụm Tập đoàn quân Nam thành hai phần: Cụm Tập đoàn quân A và Cụm Tập đoàn quân B. Cụm A, do Siegmund Wilhelm List chỉ huy, sẽ tiến công vào khu vực Kavkaz đúng như kế hoạch ban đầu cùng với các tập đoàn quân số 11, 17, tập đoàn quân thiết giáp số 1, số 4 và tập đoàn quân số 8 của Ý. Cụm B, bao gồm các tập đoàn quân số 6 (Friedrich Paulus chỉ huy) và số 2 của Đức, số 2 của Hungary, số 8 của Ý (điều từ cụm A qua vào giữa tháng 9), tập đoàn quân thiết giáp số 4 của Hermann Hoth, có nhiệm vụ tiến về phía Đông đến sông Volga và thành phố Stalingrad. Chỉ huy của nhóm B là Thống chế Fedor von Bock, về sau được thay bằng Đại tướng Maximilian von Weichs.[26] Cả hai cụm đều được yểm trợ bằng tập đoàn không quân số 4 của thống chế không quân Wolfram von Richthofen. Hitler đã vi phạm nguyên tắc tối quan trọng của nghệ thuật chiến tranh là nguyên tắc tập trung binh lực: quân Đức tiến công đồng thời theo hai hướng ngày càng xa rời nhau, đây là tiền đề cho việc bị đối phương bao vây tiêu diệt về sau. Ông đã bỏ qua sự cảnh báo của các tướng lĩnh có kinh nghiệm về việc này.

Đồng thời, trong việc lập kế hoạch chiến cuộc hè 1942, Bộ tư lệnh tối cao của phát xít Đức đã phạm sai lầm nghiêm trọng do đánh giá quá thấp đối thủ và quá cao chính mình. Người Đức tỏ ra rất tự tin về việc chế ngự được Hồng quân vì bây giờ mùa đông khắc nghiệt của nước Nga không còn ảnh hưởng nhiều đến sức chiến đấu của họ nữa. Thật ra thì họ có lý khi tin như thế: dù Cụm tập đoàn quân Trung tâm Đức (Heeresgruppe Mitte) phải chịu nhiều thiệt hại nặng nề, 65% quân số của họ đã không phải tham gia vào những trận chiến mùa đông khắc nghiệt, họ đã được nghỉ ngơi và được tái trang bị; còn các cụm Tập đoàn quân Bắc và Nam cũng không không phải chịu áp lực nào đặc biệt nghiêm trọng trong mùa đông vừa qua.[27]

Kế hoạch tác chiến của Chiến dịch Blau đã được soạn thảo từ cuối tháng 5 năm 1942. Tuy nhiên, một phần lực lượng Đức và Rumani đáng nhẽ ra phải tham gia chiến dịch Blau thì hiện đang kẹt cứng tại Sevastopol. Phát xít Đức đã không thể chiếm được thành phố này cho đến tận tháng 6, và điều này đã làm trì hoãn việc thực thi kế hoạch Blau mấy lần. Tuy nhiên trong thời gian trì hoãn đó, phát xít Đức cũng tiến hành một đợt phản kích nhằm thanh toán một "chỗ lồi" của Hồng quân Xô Viết tại Kharkov và hợp vây một khối lớn quân Liên Xô tại đây.

Cuối cùng thì chiến dịch Blau cũng chính thức mở màn vào ngày 28 tháng 6 năm 1942 khi các lực lượng của Cụm Tập đoàn quân Nam tấn công vào miền Nam Nga. Khởi đầu của chiến dịch diễn ra rất thuận lợi cho quân Đức. Các lực lượng Hồng quân gần như không có bất cứ hành động kháng cự quyết liệt nào trên những vùng thảo nguyên trống trải, thay vào đó họ nhanh chóng tháo lui về phía Đông. Thật ra Hồng quân đã vài lần cố gắng thành lập một phòng tuyến để ngăn đà tiến công của quân Đức, tuy nhiên tất cả đều thất bại bởi các đòn đánh bọc sườn của quân Đức. Quân Đức đã hai lần hợp vây và tiêu diệt hai khối lớn quân Liên Xô: một lần ở Tây Bắc Kharkov vào ngày 2 tháng 7 và lần thứ hai ở khu vực gần Millerovo thuộc tỉnh Rostov một tuần sau đó. Cùng lúc ấy, Tập đoàn quân số 2 (Hungary) và Tập đoàn quân thiết giáp số 4 (Đức) đánh tan quân Liên Xô tại Voronezh, và chiếm thành phố này vào ngày 5 tháng 7. Quân Đức đã đánh tan phòng tuyến Sông Đông của quân đội Xô Viết, đã tiến đến bờ sông Đông, loại bỏ được mối nguy hiểm bị Hồng quân đánh vào sườn từ bàn đạp này.

Những thành công ban đầu của Tập đoàn quân số 6 ấn tượng đến mức Hitler lại can thiệp vào kế hoạch và điều Tập đoàn quân Thiết giáp số 4 nhập vào phần A của Cụm Tập đoàn quân Nam. Tuy nhiên, hệ thống đường giao thông trong khu vực không đủ cho cả tập đoàn quân thiết giáp số 4 và tập đoàn quân số 6, vì vậy quyết định này đã khiến quân Đức kẹt cứng trên các con đường; họ phải chật vật giải quyết mớ hỗn độn của hàng nghìn chiếc xe cơ giới đang làm tắc nghẽn các tuyến giao thông. Điều này khiến tiến độ hành quân bị chậm lại đến cả tuần và thế là Hitler lại lật đật điều tập đoàn quân thiết giáp số 4 về vị trí cũ.

Dầu sao đến cuối tháng 7, phát xít Đức đã dồn Hồng quân Xô Viết về bờ bên kia của sông Đông. Ở tại khu vực này thì sông Đông và sông Volga chỉ cách nhau có 40 cây số, và quân Đức bắt đầu bố trí các kho tàng của họ ở bên bờ Tây sông Đông, những kho tàng này sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc tiếp liệu cho quân Đức ở giai đoạn sau của chiến dịch. Lúc này, phát xít Đức cũng bắt đầu bố trí các lực lượng của các quốc gia chư hầu như Ý, Hungary và Rumani đế bảo vệ khu vực cánh trái (ở phía Bắc) của quân Đức. Quân đội phát xít Ý thường không được ghi nhận về tinh thần chiến đấu, dù vẫn nhiều lần được biểu dương trong cáo thông cáo chính thức của Đức.[28][29][30][31] Họ không được quân Đức xem trọng và thường bị chỉ trích vì sự hèn nhát và tinh thần kém: thật ra thì khả năng chiến đấu kém của quân Ý chủ yếu là do trang bị vũ khí hết sức nghèo nàn và lạc hậu cùng với những chiến thuật cổ lỗ sĩ do các tướng lĩnh Ý sử dụng, vì vậy quân Ý thường xuyên nhận được lệnh phải rút lui hay tháo chạy. Tuy nhiên người Ý cũng có dịp thể hiện khả năng tác chiến tốt như trong trận Nikolayevka. Lúc này Tập đoàn quân số 6 của Đức chỉ còn cách Stalingrad có vài chục cây số; còn tập đoàn quân thiết giáp số 4 - lúc này đang ở phía Nam - liền chuyển hướng quay lên phía Bắc để hỗ trợ cho Tập đoàn quân số 6.

Ở phía Nam, Cụm Tập đoàn quân A đã tiến sâu vào khu vực Kavkaz nhưng đà tiến quân của họ bị chậm lại nhanh chóng do các tuyến hậu cần và tiếp vận đã kéo quá dài. Hai tập đoàn quân phát xít Đức tại đây nằm ở vị trí quá xa nhau và vì vậy chúng khó có thể ứng cứu nhau kịp thời. Chiến dịch Kavkaz của Đức đã diễn ra không suôn sẻ. Rõ ràng Bộ tổng chỉ huy quân đội Đức đã đánh giá sai về tình hình của quân mình và của đối phương; họ cũng không thấy hết những khó khăn của việc tác chiến vùng núi - nơi chỉ một lượng nhỏ quân phòng thủ có thể chống lại rất đông quân tấn công và các lực lượng cơ động của Đức không thể phát huy hết tác dụng. Quân Đức, sau những thắng lợi ban đầu tại vùng đồng bằng, khi bắt đầu tiếp cận dãy núi lớn Kavkaz đã mất đà tiến công, dần dần bế tắc trên hướng chính và bị chặn lại tại tuyến sông Terech và các đèo ngang của dãy Kavkaz. Ngược lại, tại hướng tấn công thứ yếu của cụm quân B thì tình hình lại rất thuận lợi cho quân Đức, như đã nói ở trên. Trên địa hình đồng bằng quân Đức rất giỏi trong tiến công cơ động. Dường như không gì cản nổi cuộc tiến công của phía Đức về phía sông Volga. Bộ chỉ huy Đức liền chuyển hướng tiến công, lấy cụm B làm hướng tấn công chính và điều các đơn vị từ cụm A sang để phát triển thành quả tiến công. Mục tiêu chính bây giờ là thành phố Stalingrad trên sông Volga.

Bộ chỉ huy Đức nhận thấy chỉ riêng tập đoàn quân Paulus chưa đủ sức để chiếm Stalingrad nên ngày 31 tháng 7 năm 1942 Hitler ra lệnh điều tập đoàn quân xe tăng số 4 từ cụm tập đoàn quân A sang cho cụm B để tăng cường tấn công Stalingrad và từ 2 tháng 8 tập đoàn quân xe tăng này bắt đầu tấn công phía tây nam thành phố. Từ nay trọng tâm chú ý của Bộ chỉ huy Đức dồn chủ yếu cho chiến trường Stalingrad. Càng ngày Stalingrad càng thu hút nhiều binh lực của Đức từ các chiến trường khác: từ chỗ ban đầu chỉ có 13 sư đoàn với khoảng 27 vạn quân, đến cuối tháng 9 năm 1942 tại hướng Stalingrad đã có 80 sư đoàn quân Đức và đồng minh Hungary, Ý và Rumani, chiếm tỷ trọng rất lớn trên toàn chiến tuyến Xô - Đức. Phía Đức có 1.260 xe tăng, 17.000 pháo và cối, 1.640 máy bay[cần dẫn nguồn]. Theo kế hoạch tấn công của phía Đức tập đoàn quân số 6 tấn công tại mặt bắc và tây bắc Stalingrad và tập đoàn quân xe tăng số 4 tại phía nam và tây nam. Sau khi đột phá đến bờ sông Volga hai cánh quân này sẽ đánh dọc theo bờ sông tiến ngược chiều nhau và hợp vây quân đội Xô Viết phòng thủ thành phố.

Lúc này ý đồ của phát xít Đức đã quá rõ ràng, và Hồng quân bắt đầu xúc tiến việc phòng thủ thành phố Stalingrad. Họ đã đưa các lực lượng dự bị chiến lược là tập đoàn quân 62, 63, 64, tập đoàn quân cận vệ số 1 và các tập đoàn quân xe tăng số 1 và số 4 và rất nhiều các đơn vị khác. Nơi đây thành khu vực tập trung binh lực lớn nhất của cả hai bên trận đánh có quy mô vượt cả trận Moskva năm 1941. Ngày 1 tháng 8 năm 1942 I. V. Stalin bổ nhiệm Thượng tướng A. I. Yeryomenko vào vị trí Tư lệnh Phương diện quân Tây Nam. Yeryomenko cùng với chính ủy N. I. Khrushchyov nhận nhiệm vụ phải bảo vệ bằng được Stalingrad.[32]:25, 48 Ranh giới phía Đông của Stalingrad chính là dòng sông Volga rộng lớn, và ở bên kia sông Hồng quân cũng bố trí thêm các lực lượng phụ trợ. Các lực lượng này hình thành nên một tập đoàn quân mới mang số 62 do Trung tướng V. I. Chuikov chỉ huy vào ngày 11 tháng 9 năm 1942. Tình hình lúc này phải nói là cực kì nghiêm trọng. Khi được hỏi bằng cách nào mà ông có thể hoàn thành nhiệm vụ, vị tướng trả lời: "Chúng tôi sẽ chiến đấu đến chết để bảo vệ thành phố."[33]:127 Tức là nhiệm vụ của Tập đoàn quân số 62 là bảo vệ Stalingrad bằng bất cứ giá nào. Vai trò của Chuikov trong việc bảo vệ Stalingrad đã mang lại cho ông một trong hai danh hiệu Anh hùng Liên bang Xô Viết.