由陆军元帅威廉·利斯特指挥，包括第1装甲集团军、第17集团军、罗马尼亚第3集团军以及意大利第8集团军。根据希特勒的计划，A集团军群将向东部推进，在全歼不断撤退的苏军之前，与第4装甲集团军会合。随后，A集团军群将调头南下，夺取罗斯托夫，率先向高加索地区发起进攻。Ｂ集团军群由陆军元帅冯·魏克斯指挥，下辖第6集团军、第4装甲集团军、第2集团军以及匈牙利第2集团军。在德军第6集团军与第4装甲集团军向东推进切断伏尔加河的同时，仆从国军队以及德军第2集团军对其北翼提供保护。攻占斯大林格勒并非德军的进攻目标。7月13日，希特勒从第6集团军抽调第40装甲军南下，在罗斯托夫北部161公里处的米勒罗夫诺执行合围任务。然而，在7月14日，德军只俘虏了1。4万人。事实上，苏军已经顺利撤退到了东部。与1941年不同的是，苏军不再一味地坚守阵地、顽强抵抗直至被德军残酷消灭。7月6日，斯大林终于同意对苏军战略进行根本性调整，允许苏军放弃阵地，以便为胜利争取时间。
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步步进逼（6）
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1942年5—6月，在哈尔科夫、刻赤以及克里米亚的毁灭性失败，使得苏军损失近50万人。6月26日，华西列夫斯基上将接替因健康状况不佳无法任职的沙波什尼科夫陆军元帅，出任苏军总参谋长。他请求斯大林从两个方面对苏军战略进行调整，他认为，红军在战术方面弱于德军，如果仍然像1941年那样继续坚守阵地、顽强抵抗，无异于自取灭亡；苏军缺乏足够的人员参与南部的战斗和保护莫斯科。在哈尔科夫的大溃败使得苏联西南方面军直接面对德军第6集团军的进攻，南方面军将不得不与德军第17集团军和第1装甲集团军进行面对面的较量，两大方面军严重缺乏兵力，而且暂时得不到补充。一旦西南方面军被德军消灭，南方面军北翼将会暴露在德军面前，势必导致沃罗涅日与罗斯托夫之间的苏军阵地全线崩溃。7月6日，斯大林命令铁木辛哥的西南方面军与马利诺夫斯基的南方面军实施战略撤退，避免被向南推进的德军第4装甲集团军包围。斯大林的这一举措使德军“蓝色”行动第三阶段的计划化为泡影。
7月16日，希特勒抽调第4装甲集团军前往A集团军群，增援在罗斯托夫东北部实施的大规模包围计划。7月23日，德军占领罗斯托夫，但希特勒的大规模包围计划再次落空。但是，希特勒此次从Ｂ集团军群调动第4装甲集团军的决定，还是取得了成果。后来，大多数历史学家认为，希特勒此次从Ｂ集团军群抽调装甲部队具有重要意义。就在西南方面军阵脚大乱时，希特勒拒绝以第6集团军为首的Ｂ集团军群利用强大兵力和速度优势在苏军组织起防御之前向斯大林格勒推进。与苏军相比，德军在速度和机动能力方面拥有极大优势，正是依靠这些优势，德军一直进行着机动作战。相反，苏联最高统帅部充分利用德军第6集团军推进速度放慢这一有利战机，在顿河湾附近部署了3个集团军，导致1942年7月底到8月份，第6集团军陷入与苏军的残酷消耗战之中。然而，尽管在战斗中没有俘虏苏军，希特勒仍然认为，苏军在顿河西部的抵抗已被粉碎。7月20日，希特勒首次正式下令第6集团军向斯大林格勒发动进攻。
7月23日，就在罗斯托夫沦陷的同一天，希特勒下达“第45号元首指令”，宣布“蓝色”行动的作战目标已经实现。希特勒命令A集团军群渡过顿河，夺取高加索地区的油田，随后向巴库推进。此时，德军新添了一个全新的目标：夺取并占领黑海海岸。Ｂ集团军群将向斯大林格勒推进，随后沿着伏尔加河向阿斯特拉罕挺进。德军这些目标与自身实力极不相配，希特勒完全低估了苏军和苏军战略预备队的战斗意志。7月30日，希特勒改变了自己的决定，命令第4装甲集团军从A集团军群返回Ｂ集团军群。此时，第4装甲集团军早已渡过罗斯托夫东部的顿河，现在却要向左调转方向，沿着东北方向朝斯大林格勒进发。这样，当第6集团军在斯大林格勒西部激战之际，第4装甲集团军将无法与第6集团军相互支援，而且将面临燃油短缺的困扰。此时，德军再次由于缺乏切实可行的作战计划，导致夏季攻势第二阶段出现混乱，许多指挥官在面对新情况时束手无措。
7月初的苏军阵地极其危险。布良斯克方面军与西南方面军之间出现一个322公里的缺口，南方面军与西南方面军也失去了联系。7月12日，根据苏联最高统帅部的“第170495号命令”，成立了斯大林格勒方面军，由铁木辛哥指挥。7月19日，斯大林宣布斯大林格勒全体军民进入战争状态。斯大林格勒方面军防守地域达354公里，从斯大林格勒西北部，沿着顿河往南，一直到斯大林格勒西南部顿河与奇尔河的交汇处。西北部部署的是库兹涅佐夫将军率领的第63集团军，西部为科尔帕克奇将军率领的第62集团军，崔可夫指挥的第64集团军部署在第62集团军的左翼。当时，斯大林格勒方面军的兵力并不充足，第62和第63集团军仅有16万人、400辆坦克和450架飞机，与他们对峙的德军第6集团军却拥有高达30多万人的兵力。第64集团军只是由许多兵力严重不足的师级单位拼凑而成，许多师不足2500人。斯大林格勒方面军的阵地外围由西南方面军的残余部队据守。丹尼洛夫将军指挥的第21集团军和第38集团军在顿河北部沿岸部署，克留琼金的第28集团军在第62集团军后方部署。在斯大林格勒西部，托尔布欣少将指挥的第57集团军部署在第64集团军的左翼阵地。7月21日，铁木辛哥终于为西南方面军自1942年5月以来的糟糕表现付出了代价，作为斯大林格勒方面军司令员，他被瓦西里·尼古拉耶维奇·戈尔多夫中将取代，后者是一位能力超群的战地指挥官，但脾气稍嫌暴躁。
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步步进逼（7）
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7月23日，罗斯托夫落入A集团军群手中。苏军曾经与德军展开激烈的巷战，但斯大林却故意把罗斯托夫的陷落归咎于失败主义者和第五纵队。正是在这种背景下，斯大林发布了“第227号命令”，即著名的“绝不许后退一步”的命令。该命令规定在前线部队后面部署内务部队小队，惩罚那些没有全力反抗侵略的人员，即所谓的“失败主义者”。斯大林的命令提醒苏联人民，形势已经非常危急，苏联的命运正处于千钧一发之际，一旦撤退到伏尔加河与高加索地区，就再也没有任何退路了。国家的命运危在旦夕，每一位苏联公民都有责任、有义务保卫自己的祖国，保卫自己的未来，呼吁苏联各族人民展开全面战争，团结起来反抗侵略者。
7月25日，A集团军群席卷顿河，进入库班平原。在其右翼，德军第17集团军将苏军第18和第12集团军击退。8月9日，第17集团军到达克拉斯诺达尔市郊，该市是苏联一个主要的石油精炼中心。在其左翼，第1装甲集团军突破苏联北高加索方面军第37集团军的防线。8月9日，第1装甲集团军推进到达克拉斯诺达尔东南部高加索山麓的迈科普。然而，对战事的发展相当满意的希特勒，很快就变得极度沮丧，因为苏军已经彻底破坏了迈科普的石油生产与存储设施。这种破坏使得德军在占领迈科普之后，几乎找不到一桶可用的石油。苏军的抵抗开始增强，一直依赖空军支援的A集团军群的推进速度严重放缓。紧接着，在丧失了空中支援和物资供给之后，A集团军群陷入与苏军的残酷战斗之中，进攻速度大幅度下降。与此对应的是，Ｂ集团军群也正在向着自己最后的命运迈进，希特勒越来越受到斯大林格勒的困扰。
当A集团军群的行动几乎停滞时，争夺斯大林格勒的激战正如火如荼地进行。7月23日，德军第6集团军击溃了苏军第62集团军的右翼防线。苏联最高统帅部本来希望能够将德军阻滞在顿河西部以争取时间，但在1941年10月，维阿兹马的苏军防线被德军轻松突破。7月25日，第64集团军遭遇德军猛烈进攻后开始溃退。第64集团军负责保卫位于下齐尔斯卡亚的顿河与奇尔河交汇处的大桥，该桥具有极为重要的战术、战役和战略意义，但在7月26日，崔可夫被迫命令苏军渡过顿河撤退，随后在德军前面将大桥炸毁。这样，第62和第64集团军之间的联系被切断。形势的发展促使斯大林命令华西列夫斯基负责斯大林格勒的防御。此时，第62集团军的右翼被德军包围，一旦被消灭，苏军在斯大林格勒西部的阵地就会被摧毁。华西列夫斯基别无选择，只有仓促准备对德军第6集团军的左翼与右翼发动进攻，努力援救第62集团军。坦克第1集团军将对第6集团军的左翼发动进攻，坦克第4集团军将从南部对右翼发动进攻，而第21集团军则对其左后翼发起攻击。
此时，在准备反攻的苏军之中再次潜藏着严重的问题。坦克第1集团军是在前第38集团军的基础上，补充了一些没有作战经验的预备队后重组而成，而坦克第4集团军是在前第28集团军的基础上组建而成。而作为西南方面军组成部分的第28集团军和第38集团军类似，在德军的强大攻势下已经元气大伤。由于此次反攻组织仓促，没有进行足够的侦察或空中支援，将重蹈1941年的覆辙。华西列夫斯基这位深思熟虑、足智多谋的指挥官并不是让军队去送死的刽子手，但他明白，苏军必须破坏德军第6集团军发动进攻的重要元素，为获得战役控制权，必须付出一定的战术牺牲。7月27日，坦克第1集团军向德军第6集团军左翼发动进攻。然而，由于坦克第4集团军在强渡顿河时遭遇了德国空军的猛烈空袭，本应该同时发动的进攻被迫推迟了48小时。即便如此，截至7月29日，苏军两大坦克集团军开始在平原上向前缓慢推进，分别从北部和南部向第6集团军形成威胁。在包围圈内，第62集团军的被围困部队（2个师与1个坦克军）与德军展开了猛烈的对攻战。8月1日，第6集团军被迫转入防御。虽然他们仍然占据着作战主动权，但已经不具备向斯大林格勒西部的苏军防线发起进攻的实力了。在残酷的消耗战中，第6集团军陷入困境：华西列夫斯基已经稳住了局势，至少暂时如此。
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步步进逼（8）
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当上述危机逐渐消除时，斯大林格勒方面军的左翼又出现了新的危机。7月31日，霍斯将军指挥的第4装甲集团军开始向斯大林格勒发动进攻，很快就突破了特鲁法诺夫少将指挥的第51集团军，但在阿克赛河却遭到了第64集团军左翼部队的猛烈进攻。第4装甲集团军经过休整后，于8月5日向第64和第57集团军的交界处发动进攻，但很快便在后者的反击下陷入停顿。这一失利表明，希特勒在1942年7月的决策，破坏了德军取得一次重大胜利的机会。希特勒抽调第4装甲集团军的做法，与1941年8月抽调第2装甲集团军如出一辙，无一例外地减轻了苏军的压力。现在，同1941年莫斯科战役相类似，德军陷入了残酷的消耗战，第6集团军与第4装甲集团军（从西南方向朝斯大林格勒推进，与当年第2装甲集团军进攻莫斯科时极其相似）发现根本无法战胜敌人。尽管德军在1942年9月就推进到了斯大林格勒，但他们将在这里与苏军再一次展开消耗战，最终将被葬送在自己制造的“大锅炉”中。
8月初的战场僵局迫使双方重新评估各自的形势。8月5日，华西列夫斯基对斯大林格勒方面军进行了整顿，由于战场表现不佳，斯大林格勒方面军被分割，戈尔多夫继续指挥第63、21、66和24集团军以及坦克第1和第4集团军。南部，叶廖缅科上将负责指挥新组建的东南方面军，下辖第62、64、57和51集团军。两大方面军的分界线为察里察河，该河向右延伸穿过斯大林格勒市区。德国陆军元帅冯·魏克斯命令第6集团军和第4装甲集团军向斯大林格勒西部的苏军发动一次集中进攻，第6集团军将渡过顿河向东推进；第4装甲集团军将突破第64集团军在斯大林格勒南部的防线，一直抵达伏尔加河。8月7日，第6集团军将第62集团军的防线切成两半。保卢斯命令德军继续大胆前进，抵达韦尔佳奇。然而，由于沼泽地形和苏军坦克第1集团军的牵制，第6集团军无法充分发挥此前的战果优势。在混乱无序的冒进中，保卢斯不同意第6集团军与坦克第1集团军展开阵地战。8月23日，在德国空军的全力支援下，第6集团军下属第51军顶着苏军的猛烈反击，在拂晓时分强渡顿河。在德国空军猛烈的近距离空中支援下，冯·乌特斯海姆的第14装甲军突破第62集团军的防御。休比少将指挥第16装甲师越过顿河—伏尔加河之间的陆桥，向前突进80公里，抵达斯大林格勒北部的伏尔加河。此时，伏尔加河被切断，德军完成了“第45号元首指令”中规定的初步任务。然而，第16装甲师却遭到第62集团军、工人民兵营以及刚刚从斯大林格勒拖拉机厂下线的坦克的猛攻。为了生存下去，第16装甲师在伏尔加河与苏军展开了殊死激战，乌特斯海姆请求保卢斯准许撤退，遭到保卢斯的严词拒绝。在德国空军猛烈空袭斯大林格勒的情况下，第6集团军继续向前推进。
8月23日至24日，菲比希中将的空军第8军对斯大林格勒发动了猛烈空袭，数千架轰炸机倾泻了无数的炸弹，铁路与公路交通陷入瘫痪，市政府一连数日无法运转，空气中弥漫着死亡的气息。德国空军故意在居民区的木质房屋上空投放燃烧弹，大片民宅陷入火海。由于火势无法控制，许多建筑物在火海中化为废墟，整个城市恐慌不安，士气低落。
燃烧的石油将伏尔加河照得如同白昼，斯大林格勒的医院与工厂在轰炸中被摧毁，滚滚浓烟升入数千英尺的高空。里希特霍芬称，整个斯大林格勒成为一座“奇怪的城市”。因为指挥斯大林格勒保卫战而名垂青史的崔可夫中将亲眼目睹了这样的场面：“方圆将近56公里的斯大林格勒被火海包围，一切都在燃烧、倒塌，死亡和灾难顷刻之间降