В связи с возросшей шириной полосы обороны (около 700 км) решением Ставки ВГК Сталинградский фронт, которым с 23 июля командовал генерал-лейтенант В. Н. Гордов, 5 августа был разделен на Сталинградский и Юго-Восточный фронты. Для достижения более тесного взаимодействия между войсками обоих фронтов с 9 августа руководство обороной Сталинграда было объединено в одних руках, в связи с чем Сталинградский фронт был подчинен командующему войсками Юго-Восточного фронта генерал-полковнику А. И. Еременко.
30 июля немецким командованием было принято решение повернуть 4-ю танковую армию с Кавказского направления на Сталинградское. В результате на сталинградском направлении действовали уже две армии: 6-я — с запада и 4-я танковая — с юго-запада. 5 августа передовые соединения 4-й танковой армии вышли к внешнему Сталинградскому обводу. Попытки противника с ходу прорваться через этот рубеж были отражены хорошо организованными контратаками соединений 64-й и 57-й армий.
Несмотря на упорное сопротивление советских войск, 23 августа противнику удалось прорвать оборону 62-й армии, подойти к среднему обводу города, а передовыми отрядами немецкого 14-го танкового корпуса выйти к Волге севернее Сталинграда в районе Ерзовка. Одновременно с этим немцы бросили на город армаду бомбардировщиков — за один день было сделано более 2 тысяч самолето-вылетов. Воздушные налеты за всю войну не достигали такой силы. Огромный город, растянувшийся на 50 км, был объят пламенем.
Представитель Ставки ВГК A. M. Василевский вспоминал: «Утро незабываемого трагического 23 августа застало меня в войсках 62-й армии. В этот день фашистским войскам удалось своими танковыми частями выйти к Волге и отрезать 62-ю армию от основных сил Сталинградского фронта. Одновременно с прорывом нашей обороны противник предпринял 23 и 24 августа ожесточенную массовую бомбардировку города, для которой были привлечены почти все силы его 4-го воздушного флота. Город превратился в развалины. Телефонная и телеграфная связь нарушилась, и мне в течение 23 августа пришлось дважды вести короткие переговоры с Верховным Главнокомандующим открыто по радио».
Средствами ПВО только 23 августа было сбито 120 самолетов противника, из них истребительной авиацией — 90, зенитной артиллерией — 30 самолетов. При этом зенитные артиллерийские полки перед городом отражали неоднократные атаки немецких танков и пехоты, нанося им урон. Сражение у стен города принимало исключительно напряженный и ожесточенный характер.
В эти дни городской комитет обороны, возглавляемый секретарем Сталинградского обкома партии А. С. Чуяновым, обратился к населению города с воззванием:
«Дорогие товарищи! Родные сталинградцы! Снова, как и 24 года назад, наш город переживает тяжелые дни. Кровавые гитлеровцы рвутся в солнечный Сталинград к великой русской реке Волге. Сталинградцы! Не отдадим родного города на поругание немцам. Встанем все как один на защиту любимого города, родного дома, родной семьи. Покроем все улицы непроходимыми баррикадами. Сделаем каждый дом, каждый квартал, каждую улицу непреступной крепостью. Выходите все на строительство баррикад. Баррикадируйте каждую улицу. В грозный 1918 год наши отцы отстояли Царицын. Отстоим и мы в 1942 году Краснознаменный Сталинград!
Все на строительство баррикад! Все, кто способен носить оружие, на защиту родного города, родного дома!»
Население города являлось важнейшим источником пополнения рядов защитников Сталинграда. Тысячи жителей вливались в части 62-й и 64-й армий, на которые была возложена оборона города.
В первых числах сентября противник прорвал внутренний обвод города и захватил отдельные районы в северной его части. Он продолжал упорно рваться к центру города, чтобы полностью перерезать реку Волгу — эту важнейшую коммуникацию. Попытки врага прорваться к Волге на широком фронте обходились ему большими потерями. Так, только за 10 дней сентября у стен Сталинграда немцы потеряли 24 тысячи человек убитыми, было уничтожено около 500 танков и 185 орудий. С 18 августа по 12 сентября на ближних подступах к городу было сбито более 600 самолетов противника. 12 сентября командующий группой армий «Б» и командующий 6-й армией были вызваны в ставку фюрера под Винницей. Гитлер был крайне недоволен тем, что до сих пор Сталинград не взят немецкими войсками и приказал захватить город в кратчайшие сроки.
Силы противника все время нарастали. Всего на Сталинградском направлении в первой половине сентября действовало уже около 50 дивизий. Его авиация имела господство в воздухе, совершая в день от 1500 до 2000 самолето-вылетов. Методически разрушая город, враг пытался подорвать морально-психологическое состояние войск и населения.
Второй этап оборонительной операции советских войск по удержанию Сталинграда начался 13 сентября и продолжался 75 дней и ночей. На этом этапе операции противник четыре раза переходил к штурму города, пытаясь захватить его с ходу.
