Neben der Eroberung Moskaus sah Hitlers geplante „Sommeroffensive“ gegen Russland auch die Einnahme Stalingrads (heute Wolgograd) vor. Die Armee wurde zuvor aber in zwei Teile aufgespalten; Rostow und Stalingrad sollten gleichzeitig erobert werden. Anfang August 1942 begann die Offensive gegen Stalingrad. Zunächst erreichte das 16. Panzerkorps am 23. August die Wolga nördlich der Stadt. Am selben Tag zerstörten 600 Flugzeugbomber der Luftflotte 4 der deutschen Wehrmacht mittels Spreng- und Brandbomben Stalingrad vollständig, sodass die Stadt am Abend einem Trümmerfeld glich. Insgesamt starben bei diesem Luftangriff um die 40.000 Menschen, denn Stalin organisierte erst in Folge dieses Angriffs eine weiträumige Evakuierung der Bürger; er hatte zuvor nicht mit einem so massiven Luftangriff der Deutschen gerechnet.

Die Zerstörung der Stadt ebnete den Weg für ihre Einnahme. Die 6. Armee der Wehrmacht unter Generalmajor Friedrich Paulus traf Anfang September mit der 4. Panzerarmee westlich Stalingrads zusammen und eine weitere deutsche Armee positionierte sich südlich der Stadt. Durch diese dreiseitige Einkesselung gelang es den Armeen, weiter in den Stadtkern vorzudringen. Doch gerade die 6. Armee stieß in der Stadt auf Widerstand, sodass sie sich in Kämpfen um einzelne zerstörte Häuser sowie Straßenblöcke langsam schrittweise vorarbeiten musste. Schließlich wurde die 62. Armee der Sowjetunion aber doch zurückgedrängt und ca. 90 Prozent der Stadt eingenommen.

Die Versorgungslage der Soldaten war schon zu diesem Zeitpunkt unzureichend und verschlimmerte sich drastisch nach der sowjetischen Gegenoffensive im November 1942, die dazu führte, dass die 6. Armee im berühmt-berüchtigten „Kessel von Stalingrad“ nicht mehr versorgt werden konnte. Trotz der Bemühungen der deutschen Luftwaffe reichten die per Luftbrücke überführten Lebensmittel nicht aus. Bis zum Dezember 1942 erfroren und verhungerten zahlreiche der 300.000 eingeschlossenen Soldaten.