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7月26日，德軍南路突擊集群開始進攻。迫使蘇第64集團軍右翼後退，德軍從西南方向威脅史達林格勒。蘇軍隨即加強了該方向上的防禦，並以坦克第23軍和兩個步兵師實施反突擊，從而阻止了德軍的進攻。德軍將主突方向改為沿科帖爾尼科沃至史達林格勒鐵路的方向，並將在高加索的坦克第4集團軍調往該方向。7月30日，德軍從蘇兩個方面軍的結合部突破了第51集團軍的防禦，8月5日，德坦克第4集團軍前出到阿勃加涅羅沃地域，遭到蘇軍的頑強抵抗而受阻。此時，蘇軍最高統帥將史達林格勒方面軍劃分為兩個方面軍。即：東南方面軍轄第64、57、51集團軍，正向前開進的近衛第1集團軍，坦克第13軍和空軍第8集團軍；史達林格勒方面軍轄第63、21、62集團軍，坦克第4集團軍，坦克第23軍和空軍第16集團軍。8月9日，蘇第64集團軍、坦克第13軍在航空兵、炮兵支援下，實施反突擊，消滅德軍3個團，擊毀坦克百餘輛，迫使德軍轉入防禦。
北路德軍在重新組織後，於8月7日在喀拉蚩西北實施兩次突擊，迫使蘇第62集團軍3個師撤至頓河東岸，另有部分兵力被德軍合圍。8月17日，德軍占領了頓河西岸整個地域，蘇軍被迫撤至頓河以東外防禦圍廓。蘇軍遠接近地防禦作戰一個月，未能阻德軍的進攻，德軍則向前推進50～70公里，前出到頓河西岸。這一戰局引起蘇軍最高統帥部的嚴重關注。8月中旬，史達林派遣國防委員會委員、中央書記馬林科夫和參謀長華西列夫斯基飛抵史達林格勒前線視察，協助兩個方面軍司令員加強防禦措施，並委派葉列緬科上將對史達林格勒地區的兩個方面軍實施統一指揮。
第二階段：近接近地作戰
8月中旬，德軍對南、北兩路突擊集團給予較多加強。19日，北路第6集團軍9個師、南路第4坦克集團軍9個師向史達林格勒實施鉗形攻擊，並在正面喀拉蚩展開兩個師相配合。經3天激戰，北路第6集團軍強渡頓河，突破蘇軍防禦，於23日前出到史達林格勒以北伏爾加河岸，對市區造成嚴重威脅。此時，蘇軍調集各種力量，在加強市區防禦的同時，兩次對北路之敵實施反突擊，削弱了德軍力量。8月27日，蘇軍統帥部將近衛第1集團軍和第66、24集團軍加強給史達林格勒方面軍。8月29日，南路坦克第4集團軍前出到加夫里洛夫卡地域，嚴重威脅到史達林格勒正面防禦蘇軍的側後，蘇軍被迫後撤到內防禦圍廓繼續抗擊德軍進攻。9月初，蘇軍近衛第1集團軍和第24、66集團軍在航空兵第16集團軍的支援下，對北路德軍實施反突擊，迫使德軍將8個步兵師和3個坦克師北調，從而減輕了史達林格勒正面的壓力。9月12日，南路德軍繼續向東推進，戰線距史達林格勒市區僅有2～10公里，蘇軍被迫退守市區及南北兩翼，繼續抗擊德軍的進攻。
第三階段：市區防禦作戰
防守史達林格勒市區蘇軍為東南方面軍第62軍，其防禦前沿在雷諾克、奧爾洛夫卡、戈羅吉謝以東、薩拉多瓦亞以東和庫波羅斯諾耶以西之線。防禦正面約50公里，縱深3～10公里。德軍用於史達林格勒方向的兵力達50個師，其中直接進攻市區的兵力有13個師和500輛坦克，多於蘇第62集團軍4倍以上。
9月13日，德軍第6集團軍和第4坦克集團軍集中兵力向市區中部和南部攻擊，蘇聯軍民則利用市內建築物構成堅面支撐點和防禦樞紐部，進行頑強抵抗。並組織許多強擊群，不斷實施反衝擊。14日，德軍集中兵力向馬馬耶夫高地和一號火車站攻擊，在不到4公里的正面上使用了4個師的兵力，蘇軍則採取守反結合的手段打擊德軍。一號火車站的爭奪持續了一周時間，反覆易手達13次，曾在一天內車站4次失而復得。德軍不惜任何傷亡，連續攻擊13天，至25日占領了城市南部及中部的一部分，前出到伏爾加河岸。此時，蘇第62集團軍在市區的防禦陣地，是個南北長約25公里，東西寬只有幾百公尺的狹長地帶，集團軍和各師的指揮所距前沿僅200～800公尺。27日，德軍集中5個師的兵力，向城北工業區發起攻擊，於10月14日和11月11日，分別攻占了拖拉機工廠和“街壘”工廠南部，從該兩處突至伏爾加河岸。此時，蘇第62集團軍防禦陣地被分割成三塊孤立的部分，其中最大的一塊，在雷諾克地域，面積約14平方公里；中等的一塊，在紅十月工廠以南，面積約1平方公里；最小的一塊，在“街壘”工廠東側，面積僅0.28平方公里。蘇軍依託這三小塊陣地，拚力死守，箍制著德軍2個集團軍約17萬人的攻城大軍，並一直堅持到大反攻。
德軍為攻占史達林格勒，不斷增加兵力、火力密度僅10月份就調集補充部隊約20萬人、90個炮兵營和40個工兵營。到10月上旬，在蘇軍第62集團軍防禦正面上，德軍突擊兵團就達8個師和300輛坦克。德軍對史達林格勒實施猛烈的地面進攻同時，還進行了大規模空襲。在市區67天爭奪戰中，德軍平均每晝夜出動飛機1000～1500架次，最多一晝夜達2500架次。蘇軍為增強城防力量，從9月10日至10月16日的33天中，利用夜暗，強渡伏爾加河，陸續向市區增援10個步兵師、2個坦克旅和1個步兵旅。在市區防禦作戰期間，蘇軍多次在城南、城北向德軍反擊，迫使德軍從攻城部隊中抽調兵力應付，從而削弱了德軍攻城力量，緩解和改善了第62集團軍的困難處境。
德軍先後調集兵力達50個師，進攻史達林格勒4個月之久，始終未能實現其戰略企圖。蘇軍成功地制止了德軍的進攻，斃傷68萬餘人，擊毀坦克1000餘輛，飛機1400餘架，利用德軍被牽制在史達林格勒城下的有利時機，蘇軍悄悄地集結兵力，完成了反攻準備。
北路德軍在重新組織後，於8月7日在喀拉蚩西北實施兩次突擊，迫使蘇第62集團軍3個師撤至頓河東岸，另有部分兵力被德軍合圍。8月17日，德軍占領了頓河西岸整個地域，蘇軍被迫撤至頓河以東外防禦圍廓。蘇軍遠接近地防禦作戰一個月，未能阻德軍的進攻，德軍則向前推進50～70公里，前出到頓河西岸。這一戰局引起蘇軍最高統帥部的嚴重關注。8月中旬，史達林派遣國防委員會委員、中央書記馬林科夫和參謀長華西列夫斯基飛抵史達林格勒前線視察，協助兩個方面軍司令員加強防禦措施，並委派葉列緬科上將對史達林格勒地區的兩個方面軍實施統一指揮。
第二階段：近接近地作戰
8月中旬，德軍對南、北兩路突擊集團給予較多加強。19日，北路第6集團軍9個師、南路第4坦克集團軍9個師向史達林格勒實施鉗形攻擊，並在正面喀拉蚩展開兩個師相配合。經3天激戰，北路第6集團軍強渡頓河，突破蘇軍防禦，於23日前出到史達林格勒以北伏爾加河岸，對市區造成嚴重威脅。此時，蘇軍調集各種力量，在加強市區防禦的同時，兩次對北路之敵實施反突擊，削弱了德軍力量。8月27日，蘇軍統帥部將近衛第1集團軍和第66、24集團軍加強給史達林格勒方面軍。8月29日，南路坦克第4集團軍前出到加夫里洛夫卡地域，嚴重威脅到史達林格勒正面防禦蘇軍的側後，蘇軍被迫後撤到內防禦圍廓繼續抗擊德軍進攻。9月初，蘇軍近衛第1集團軍和第24、66集團軍在航空兵第16集團軍的支援下，對北路德軍實施反突擊，迫使德軍將8個步兵師和3個坦克師北調，從而減輕了史達林格勒正面的壓力。9月12日，南路德軍繼續向東推進，戰線距史達林格勒市區僅有2～10公里，蘇軍被迫退守市區及南北兩翼，繼續抗擊德軍的進攻。
第三階段：市區防禦作戰
防守史達林格勒市區蘇軍為東南方面軍第62軍，其防禦前沿在雷諾克、奧爾洛夫卡、戈羅吉謝以東、薩拉多瓦亞以東和庫波羅斯諾耶以西之線。防禦正面約50公里，縱深3～10公里。德軍用於史達林格勒方向的兵力達50個師，其中直接進攻市區的兵力有13個師和500輛坦克，多於蘇第62集團軍4倍以上。
9月13日，德軍第6集團軍和第4坦克集團軍集中兵力向市區中部和南部攻擊，蘇聯軍民則利用市內建築物構成堅面支撐點和防禦樞紐部，進行頑強抵抗。並組織許多強擊群，不斷實施反衝擊。14日，德軍集中兵力向馬馬耶夫高地和一號火車站攻擊，在不到4公里的正面上使用了4個師的兵力，蘇軍則採取守反結合的手段打擊德軍。一號火車站的爭奪持續了一周時間，反覆易手達13次，曾在一天內車站4次失而復得。德軍不惜任何傷亡，連續攻擊13天，至25日占領了城市南部及中部的一部分，前出到伏爾加河岸。此時，蘇第62集團軍在市區的防禦陣地，是個南北長約25公里，東西寬只有幾百公尺的狹長地帶，集團軍和各師的指揮所距前沿僅200～800公尺。27日，德軍集中5個師的兵力，向城北工業區發起攻擊，於10月14日和11月11日，分別攻占了拖拉機工廠和“街壘”工廠南部，從該兩處突至伏爾加河岸。此時，蘇第62集團軍防禦陣地被分割成三塊孤立的部分，其中最大的一塊，在雷諾克地域，面積約14平方公里；中等的一塊，在紅十月工廠以南，面積約1平方公里；最小的一塊，在“街壘”工廠東側，面積僅0.28平方公里。蘇軍依託這三小塊陣地，拚力死守，箍制著德軍2個集團軍約17萬人的攻城大軍，並一直堅持到大反攻。
德軍為攻占史達林格勒，不斷增加兵力、火力密度僅10月份就調集補充部隊約20萬人、90個炮兵營和40個工兵營。到10月上旬，在蘇軍第62集團軍防禦正面上，德軍突擊兵團就達8個師和300輛坦克。德軍對史達林格勒實施猛烈的地面進攻同時，還進行了大規模空襲。在市區67天爭奪戰中，德軍平均每晝夜出動飛機1000～1500架次，最多一晝夜達2500架次。蘇軍為增強城防力量，從9月10日至10月16日的33天中，利用夜暗，強渡伏爾加河，陸續向市區增援10個步兵師、2個坦克旅和1個步兵旅。在市區防禦作戰期間，蘇軍多次在城南、城北向德軍反擊，迫使德軍從攻城部隊中抽調兵力應付，從而削弱了德軍攻城力量，緩解和改善了第62集團軍的困難處境。
德軍先後調集兵力達50個師，進攻史達林格勒4個月之久，始終未能實現其戰略企圖。蘇軍成功地制止了德軍的進攻，斃傷68萬餘人，擊毀坦克1000餘輛，飛機1400餘架，利用德軍被牽制在史達林格勒城下的有利時機，蘇軍悄悄地集結兵力，完成了反攻準備。