1942年春，蘇、德雙方統帥部都在積極策划下一步的作戰。希特勒仍然把注意力盯在高加索的石油上，因為專家們對德國石油儲備嚴重缺乏的判斷，使他倍感焦慮，他對手下將領說：「如果我不能得到邁克普和格羅茲尼的石油，就應結束這場戰爭。」事實上，德國要是奪得高加索的石油，不僅可解決自己的需要，同時也將使蘇聯的戰爭機器癱瘓，所以斯大林也對部下說過，為了把戰爭繼續下去，我必須保持高加索油田。最後，希特勒決定1942年夏季的作戰目標為佔領高加索油田，同時在列寧格勒和克里米亞兩個方向上展開攻勢。
1943年3月底，蘇軍最高統帥部會議上，斯大林判斷德軍進攻方向仍是莫斯科，決定把戰略預備隊配製在布良斯克方向上。同時在西南方面軍司令員鐵木辛哥的要求下，在烏克蘭方面實施進攻。5月12日，蘇軍四個集團軍從沃爾昌斯克和巴爾文克沃突出部向哈爾科夫地區德軍進攻，並很快突破了德軍陣地，向縱深順利發展。鐵木辛哥並沒有察覺德軍已在這一地區集結重兵，準備向高加索進軍。5月17日，形勢突變，德軍克萊斯特第1裝甲軍團從斯拉維揚地區出動，保羅斯第6軍團在哈爾科夫以南渡過北頓涅茨河，從南、北兩個方向，向鐵木辛哥部隊的突出部根部切入。5月19日，蘇軍下令撤退，但時機已經錯過，退路已被德軍封閉。到5月29日會戰結束時，蘇軍除2萬多人突圍外，參加進攻的第5、第6、第7、第9集團軍全軍覆沒，被俘達20萬人，方面軍副司令員科斯堅科和另兩位集團軍司令員戰死。蘇軍損失火炮2026門、坦克1246輛。由於蘇軍判斷不準，貿然進攻，導致西南方面軍主力被殲，讓德軍輕易地打開南翼大門，重獲戰場主動權。
為消除進軍高加索時南側翼的威脅，1942年5月8日，希特勒命令曼斯坦因的第11軍團發起克里米亞戰役。曼斯坦因於5月15日攻克刻赤要塞，俘虜蘇軍17萬人，控制了亞速海的出口。7月4日，德軍以其高超的野外攻堅戰術，克服地形險峻，攻下克里米亞半島上的最後一個要塞——塞瓦斯托波爾，蘇軍約10萬人投降。不久，曼斯坦因的11軍團大部調往列寧格勒地區。
按照希特勒1942年4月5日發布的第41號指令，進軍高加索分四個階段來進行。第一階段：德軍第2軍團和第4裝甲軍團向頓河上的沃羅涅日突破。第二階段：第6軍團從哈爾科夫以西出擊，與第4裝甲軍團合作，殲滅頓河以西的蘇軍，第4裝甲軍團此時應沿頓河向南旋轉，包圍該地區的蘇軍。第三階段：第4裝甲軍團和第6軍團組成「B集團軍群」，從東南方向直趨頓河下游，第1裝甲軍團和第17軍團組成「A集團軍群」，向東北推進，越過頓涅茨河下游，兩個集團軍群將在斯大林格勒附近包圍主力，打一場類似基輔會戰型的殲滅戰。第四階段：在斯大林格勒至沃羅涅日的頓河沿岸，布置一道警戒線後，主力南下攻佔高加索。
1942年6月28日，挾哈爾科夫勝利之威，霍斯第4裝甲軍團、魏克斯第2軍團，從庫爾斯克地區向沃羅涅日發起進攻，7月6日佔領該城大部後，轉向東南，沿頓河大河灣掃蕩潰敗的蘇軍。6月30日，保羅斯第6軍團從比爾果羅德和弗爾加斯克之間迅速躍出，向東進攻。克萊斯特第1裝甲軍團從依茲門和庫普洋斯克之間出動，強渡北頓涅茨河，到達本特科夫之後折向南方，鋒芒直指進入高加索的咽喉羅斯托夫。
蘇軍駐守沃羅涅日的布良斯克方面軍司令戈利科夫指揮不當，沒有及時用強大的第5坦克集團軍衝擊霍斯後方，霍斯已奪得戰場主動權。這時，蘇軍作戰已變得靈活，不再一味死守，而是作有計畫的撤退，在頓河對岸重組防線。
7月10日，德軍按原定計畫將「南方集團軍群」分成A、B兩個集團軍群：李斯特為「A集團軍群」司令，目標為高加索的格羅茲尼、巴庫油田，波克為「B集團軍群」司令。7月13日，波克因行動遲緩被希特勒免職，魏克斯接過其指揮權。蘇軍此時也為指揮方便，將布良斯克方面軍一分為二，建立沃羅涅日方面軍，瓦杜丁任司令，羅柯索夫斯基任新成立的布良斯克方面軍司令。原布良斯克方面軍司令戈利科夫因指揮失當被撤職。
7月17日，希特勒命令霍斯第4裝甲軍團掉頭南下，協助克萊斯特第1裝甲軍團強渡頓河，喪失了與保羅斯第6軍團一起兵不血刃拿下斯大林格勒的良機。第6軍團現在孤掌難鳴，而克萊斯特本不用別人幫忙，霍斯的前來反佔用了其行軍道路，造成極大混亂。7月30日，希特勒思路又變，認為奪取高加索油田取決於斯大林格勒的佔領，遂又令霍斯第4裝甲軍團調頭北上，重新轉入對斯大林格勒的進攻。就在霍斯軍團來回瞎折騰之際，蘇軍在斯大林格勒方向的戰線迅速得到加強。8月9日，霍斯被阻於斯大林格勒東南方向，被迫取守勢。而這時，北面的第6軍團又發動了強大攻勢，8月19日，肅清斯大林格勒外圍，進逼該城市區。8月23日，德軍從城市北面抵達伏爾加河畔，割斷蘇軍62集團軍同主力的聯繫，9月10日，崔可夫將軍接任蘇軍62集團軍司令員，負責死守該城。
20世紀初葉，斯大林格勒被稱做沙皇城，是一個人口不過5萬的小城，但作為石油、糧食、木材、羊毛、鹽、魚的交易中心已有相當重要的地位。在更早的時候，這座位於卡莫克大草原與頓河交界的古城，也是對抗亞洲游牧部落騎士的歐洲防線的始點。1918年斯大林曾在此抵抗白匪高爾察克哥薩克騎兵的進攻，並獲得勝利。當時叫察里津，為表紀念，更名為斯大林格勒，但今天，它的威脅卻來自西面的日耳曼人。它扼伏爾加河之要津，這條古老的運河現在已成為戰時南北運輸的大動脈，高加索的汽油就靠它通過航運，源源供給各個戰場的蘇軍。因此，斯大林格勒被形象地喻為「伏爾加河的鑰匙」。
到1942年9月15日為止，德軍在斯大林格勒前線的態勢是：從沃羅涅日到斯大林格勒，沿頓河河岸一字排開的是德軍的第2軍團、匈牙利第2軍團、義大利第8軍團、羅馬尼亞第3軍團、德軍第6軍團，在該城南面又緊挨著羅馬尼亞第4軍團。哈爾德和保羅斯都擔心附庸國軍隊防守的左翼頓河防線上潛伏著危機，但希特勒不以為然，反認為哈爾德意志消沉，於9月24日將他免職，讓資歷低下的蔡茨勒出任參謀總長。蘇軍方面，從沃羅涅日到斯大林格勒沿頓河一線，展開的是沃羅涅日方面軍、西南方面軍、頓河方面軍、斯大林格勒方面軍。從7月起，蘇軍已在中亞地區秘密組建戰略預備隊。9月初，斯大林委託朱可夫和華西列夫斯基兩人籌劃在斯大林格勒大反攻的計畫。當斯大林格勒城正酣戰未休之際，這些已完成訓練和裝備良好的龐大戰略預備軍團，正源源開往頓河、伏爾加河前線，這一切都為德國情報部門所獲知，但希特勒卻根本不予相信。
9月15日到11月19日，德軍為奪取斯大林格勒，夜以繼日地猛攻，蘇軍第62集團軍和第64集團軍為固守伏爾加河左岸幾小塊陣地，拚死以戰。每一條街、每一堵牆、每一幢房屋、每一層樓面，都反反覆復地來回衝殺了無數個回合，仍然不見分曉。起初德軍以步兵集團衝鋒，不見效果，繼而以大炮、飛機轟炸，將城市炸成廢墟，這樣反倒對防守的一方有利，憑藉廢墟，蘇軍進行了有效的抵抗。
當崔可夫第62集團軍使德軍在堅城之下進退兩難時，蘇軍龐大的預備隊已秘密進入反攻陣地。11月19日，在斯大林格勒北面，瓦杜丁西南方面軍第5坦克集團軍、第21集團軍在頓河登陸場謝拉菲莫維和克列茨卡亞，向德軍第6軍團薄弱左翼上的羅馬尼亞第3軍團發起進攻，11月20日，南面葉廖緬科的斯大林格勒方面軍第51、57、64集團軍，在查查湖和巴爾曼查克湖之間向羅馬尼亞第4軍團發動強大的攻勢。兩路大軍向德軍第6軍團深遠後方卡拉奇疾進，於11月23日下午在卡拉奇會師，保羅斯軍團的22萬人陷入重圍。希特勒立即從列寧格勒調回曼斯坦因，以他的11軍團司令部為班底，組成「頓河集團軍群」司令部，統一指揮斯大林格勒地區的幾個軍團。面對合圍，蔡茨勒竭力主張保羅斯率部立即向西南突圍，希特勒幾乎已被說服，但被冷落多時的戈林，想在關鍵時露一手，他向希特勒保證，他的空軍每天可以給包圍圈運送500噸作戰物資（後來事實證明，平均每天只能空投104.7噸物資，其中只有一天達到300噸）。希特勒素來不願撤退，遂決定堅守斯大林格勒。第6軍團喪失最佳突圍機會。
為援救保羅斯軍團，曼斯坦因成立兩個突擊群，頓河西岸的「霍利特集群」，頓河東岸的「霍斯集群」，從西和西南兩個方向朝斯大林格勒推進。蘇軍在齊爾河地區從北面不斷施加壓力，將「霍利特集群」死死牽製得不能動彈，曼斯坦因決定霍斯單獨負起救援任務。12月12日，在曼斯坦因嚴令下，霍斯的第4裝甲軍團，開始向斯大林格勒推進。這個代號為「冬季風暴」、被曼