В мае 1942 в сражении под Харьковом войска Юго-Западного фронта потерпели тяжёлое поражение, в результаате чего фронт южнее Воронежа оказался практически открыт и немецким войскам был открыт путь к Ростову-на-Дону и к Кавказу. Гитлер приказал группе армий «Юг» разделиться на две. Группа армий «А» должна была продолжить наступление на Северный Кавказ. Группа армий «Б», включающая 6-ю армию Фридриха Паулюса, должна была двигаться на восток по направлению к Волге и Сталинграду. 6-я армия насчитывала 14 дивизий, в которых насчитывалось около 270 тыс. человек, 3 тыс. орудий и миномётов, и около 700 танков. Поддержку им оказывал 4-й воздушный флот (генерал-полковник Вольфрам фон Рихтгофен), в котором было до 1200 самолётов.
Овладение Сталинградом было очень важным для Гитлера. Захват Сталинграда позволил бы Германии перерезать жизненно необходимые для СССР водные и наземные дороги, соединявшие Центр России с южными областями, Кавказом и Закавказьем, а также надёжно прикрыть левый фланг наступающих на Кавказ сил и создать серьёзные сложности со снабжением противостоявшим им частям Красной Армии.
12 июля был создан Сталинградский фронт (маршал С.К.Тимошенко, с 23 июля — генерал-лейтенант В.Н.Гордов). Сталинградский фронт имел в своём составе 12 дивизий (всего 160 тыс. человек), 2200 орудий и миномётов, около 400 танков и свыше 450 самолётов. Кроме того, в его полосе действовали 150—200 бомбардировщиков дальней авиации и до 60 истребителей 102-й авиационной дивизии ПВО. Таким образом численное превосходство было на стороне немцев.
Вновь образованному фронту приходилось с ходу занимать позиции на местности, где отсутствовали заранее подготовленные оборонительные рубежи. Кроме того большинство соединений Сталинградского фронта представляли собой новые формирования, которые не имели боевого опыта.
17 июля произошли первые боевые столкновения, в которых части 62-й и 64-й армий оказали упорное сопротивление противнику, ночерезь 5 дней упорных боёв были вынуждены отойти к главной полосе обороны войск Сталинградского фронта.
23 июля немцы прорвали оборону на правом фланге 62-й армии и вышли к Дону в районе Голубинского. В результате до трёх советских дивизий попали в окружение. К концу июля немцы оттеснили советские войска за Дон.
28 июля Наркомом обороны был издан приказ № 227, получивший известность как "Ни шагу назад!", в котором потребовал усилить сопротивление и во что бы то ни стало остановить наступление противника. Упорное сопротивление советских войск вынудило нацистское командование 31 июля повернуть с Кавказского направления на Сталинград 4-ю танковую армию (генерал-полковник Герман Гот).
На направлении главного удара сопротивление немцам оказывала 62-я армия. 22 августа 6-я немецкая армия форсировала Дон и прорвалась к Волге севернее Сталинграда, отрезав 62-ю армию от остальных сил Сталинградского фронта.
Накануне вражеская авиация нанесла массированный удар по Сталинграду с воздуха, совершив около 2 тыс. самолёто-вылетов. В результате город подвергся страшным разрушениям — целые кварталы были превращены в руины. Ситуация усугубилась тем, что после фугасных бомб германские бомбардировщики сбросили зажигательные бомбы. Образовался огромный огненный вихрь, который дотла сжёг центральную часть города и всех его жителей. При этом погибло более 90 тыс. человек.
Советские войска были вынуждены отступить в город, на улицах которого завязались ожесточённые бои. 23 августа немецкие танки появились в районе тракторного завода, на котором продолжалось производство танков, которые укомплектовывались экипажами, состоявшими из работников завода и сразу же отправлялись с конвейеров в бой. В течение недели ополченцы активно участвовали в оборонительных боях на севере Сталинграда. Потом постепенно они стали сменяться кадровыми частями.
Снайперы и штурм-группы как могли задерживали противника. Немцы, продвигаясь вглубь Сталинграда, несли тяжёлые потери. Советские подкрепления переправлялись через Волгу с восточного берега под постоянными бомбардировками и артиллерийским обстрелом. Началась ожесточённая борьба за плацдармы у Волги, в особенности на Мамаевом кургане, за завод «Красный Октябрь», Тракторный завод и артиллерийский завод «Баррикады».
И для Сталина, и для Гитлера битва за Сталинград стала вопросом престижа в дополнение к стратегическому значению города. 14 октября 6-я немецкая армия начала решающее наступление на советские плацдармы у Волги. Её поддерживали более тысячи самолётов 4-го воздушного флота Люфтваффе. Советские части упорно оборонялись, поддерживаемые артиллерийским огнём с восточного берега Волги и с кораблей Волжской военной флотилии.
9 ноября начались холода и переправы через Волгу стали крайне затруднительными из-за плывущих по реке льдин, войска 62-й армии испытывали острый недостаток боеприпасов и продовольствия. В результате 11 ноября немецким войскам удалось захватить южную часть завода «Баррикады» и на участке шириной в 500 м прорваться к Волге, 62-я армия теперь удерживала три изолированных друг от друга небольших плацдарма.
В этих условиях 19 ноября началось наступление Красной Армии (операция «Уран»). После мощной артподготовки войска Юго-западного фронта (генерал-лейтенант Н.Ф.Ватутин) нанесли удары с плацдармов на правом берегу Дона из районов Серафимовича и Клетской. 5-я танковая армия прорвала оборону 3-й румынской армии. Немецкие части, располагавшиеся сзади румынских войск, попытались остановить советские войска сильной контратакой, но эта попытка успеха не имела и передовые части 1-го и 26-го советских танковых корпусов вышли в оперативную глубину, продвигаясь в район Калача.
20 ноября из района Сарпинских озёр в наступление перешла ударная группировка Сталинградского фронта (генерал-полковник А.И.Еременко). 23 ноября передовые части Юго-Западного и Сталинградского фронтов встретились в районе хутора Советский, замкнув кольцо окружения сталинградской группировки противника в междуречье Волги и Дона. В окружении оказались 6-я и основные силы 4-й танковой армий — 22 дивизии и 160 отдельных частей общей численностью 330 тыс. человек.
Не желая терять плацдарм на берегу Волги, Гитлер отклонил предложение командующего 6-й армией Паулюса прорываться в юго-восточном направлении. 12 декабря группа армий «Дон» (генерал-фельдмаршал Эрих фон Манштейн) начала операцию «Винтергевиттер» («Зимняя гроза») с целью деблокирования окруженных войск.
Советское командование неправильно определило направление деблокирующего удара и поэтому удар на котельниковском направлении оказался неожиданным. 20 декабря немецкие войска вышли к реке Мышкова. До окружённой под Сталинградом 6-й армии Паулюса оставалось расстояние 35—40 км, однако большие потери значительно подорвали наступательный потенциал 4-й танковой армии Генриха Гота. К этому времени Сталинградский фронт начал наступление на Котельниково и операция «Винтергевиттер» была приостановлена.
После отклонения Паулюсом ультиматума о сдаче 10 января началась ликвидация Сталинградского котла силами Донского фронта (операция «Кольцо»). 26 января группировку 6-й армии была рассечена на две части — южную в центре города и северную в районе Тракторного завода и завода «Баррикады». 31 января была ликвидирована южная группа, её остатки во главе с Паулюсом сдались в плен. 2 февраля было покончено с северной группой. На этом Сталинградская битва завершилась.
В ходе Сталинградской наступательной операции были уничтожены две немецкие, разгромлены две румынские и одна итальянская армии. Уничтожено 32 дивизии и 3 бригады, разгромлены 16 дивизий. Войска стран «Оси» потеряли более 800 тыс. человек. Потери советских войск составили 485 тыс. человек, в т.ч. безвозвратные — 155 тыс.