Под аккомпанемент ударов с воздуха началась атака города 16-й танковой дивизией. Ее противником стали зенитные орудия 1077-го зенитного артиллерийского полка в районе поселков Латошинка, Акатовка, Рынок. Только что они вели огонь по самолетам, теперь им пришлось поставить свои пушки на прямую наводку и вступить в бой с танками. Танкисты дивизии Хубе в тяжелом бою одну за одной уничтожили 37 позиций зениток. Когда они уже в сумерках ворвались на них, то обнаружили, что их противником были женщины — расчеты сражавшихся до конца орудий были из девушек-зенитчиц. К ночи 16-я танковая дивизия заняла круговую оборону на северной окраине города. Из ярко освещенного пожарами города по ним продолжали стрелять. Теперь они знали, кто стоит у мелькающих вспышками выстрелов зениток.
В ночь на 24 августа на северную окраину города вышел полк 10-й стрелковой дивизии войск НКВД полковника А.А.Сараева. Наибольшей опасности подвергался СТЗ, находившийся в северной части города. Рабочие завода, состоявшие в истребительном батальоне и подразделениях народного ополчения, уже в 17.40 23 августа по боевой тревоге собрались на заводской территории и в ночь на 24 августа заняли оборону на рубеже р. Мечетка фронтом на северо-запад.
Однако основные усилия по удержанию города легли на войска Сталинградского фронта, которые с 23 августа по 2 сентября предприняли ряд контратак с целью окружить и уничтожить прорвавшуюся к Сталинграду группировку. Ставка ВГК уже 23 августа директивой № 170582 потребовала немедленной ликвидации прорвавшегося противника.
С основными силами 6-й армии XIV корпус был связан коридором шириной 8 км и длиной около 60 км. На этот коридор обрушились начавшиеся вечером 23 августа контрудары войск Сталинградского фронта, наносимые из района Самофаловки. Уже утром 24 августа в наступление перешли две стрелковые дивизии 21-й армии и 1-я гвардейская армия. Эти действия советских войск вынудили немецкое командование повернуть основные силы VIII армейского корпуса фронтом на север. Одновременно был организован контрудар 23-го танкового корпуса А.М.Хасина (сводная 189-я танковая бригада — 20 T-34, 16 Т-60 и Т-70) по правому флангу XIV танкового корпуса. Вследствие этого коммуникации XIV танкового корпуса были прерваны, и занявшие круговую оборону на северной окраине Сталинграда дивизии получали снабжение преимущественно по воздуху. Это не позволяло им развивать наступление в городе, и корпус Виттерсгейма ограничился обороной. Тем самым сам эффект от быстрого прорыва был утрачен и возможность захвата Сталинграда с ходу утрачена. Командир XIV корпуса фон Виттерсгейм предложил Паулюсу отвести корпус от Сталинграда. За это предложение он вскоре был смещен со своего поста. В командование XIV танковым корпусом 14 сентября 1942 г. официально вступил бывший командир 16-й танковой дивизии Ганс-Валентин Хубе.
Нанесенный 23 августа XIV танковым корпусом удар рассек пополам построение войск Сталинградского фронта. 29 августа Ставка ВГК передала оторвавшуюся от основных сил Сталинградского фронта 62-ю армию в состав Юго-Восточного фронта.
В этот момент эстафета наступления в очередной раз перешла от армии Паулюса к армии Гота. Начав наступление 21 августа, 4-я танковая армия к вечеру 23 августа вклинилась в расположение советских войск между железной дорогой Тихорецк — Сталинград и озером Цаца на глубину до 25 км. Однако атаками резервов 64-й и 57-й армий дальнейшее наступление противника было задержано. Немецкое командование вынуждено было отказаться от продолжения наступления на этом направлении и приступить к перегруппировке сил 4-й танковой армии, перебросив XXXVIII танковый корпус в район северо-западнее Абганерово. Здесь 29-й моторизованной дивизии 29 августа удалось прорвать фронт и пробиться к железной дороге в районе разъезда «74-й километр». 24-я танковая дивизия вышла в район Зеты. Наступая на северо-запад, XXXXVIII корпус вышел в район Гавриловки и создал угрозу тылам 62-й и 64-й армий.
В связи с этим командующий Юго-Восточным фронтом А.И.Еременко 30 августа решил отвести 62-ю и 64-ю армии на средний сталинградский обвод. Но организовать оборону на этом рубеже войскам этих армий не удалось. 24-я танковая дивизия XXXXVIII корпуса, упредив отходящие войска 64-й армии, 31 августа прорвала средний обвод севернее Гавриловки. Поэтому А.И.Еременко к исходу 2 сентября отвел 62-ю и 64-ю армии на внутренний обвод. Соответственно 62-я армия заняла Для обороны участок от Волги до железной дороги, соединяющей Сталинград с Донбассом, прикрыв, таким образом, город с севера и запада. Южнее до Ивановки оборонялась 64-я армия, прикрывая Бекетовку и Красноармейск. 57-я армия закрепилась на рубеже Ивановка, оз. Цаца.
Отход 62-й армии на внутренний обвод завершился 3 сентября. С оперативной точки зрения фронт армии после отхода схлопнулся «в точку». Вместо обороны в уставных или в близких к уставным плотностях на местности 62-я армия заняла оборону в городе, общая протяженность которого по берегу Волги составляла всего около 40 км. К этому моменту в состав 62-й армии входили 33-я и 35-я гвардейские, 87, 98, 112, 131, 196, 229-я и 399-я стрелковые дивизии, 10-я дивизия НКВД, 115, 124-я и 149-я стрелковые бригады. Общая численность войск 62-й армии составляла 54 тыс. человек. Со стороны 6-й армии Ф.Паулюса к городу вышли XIV танковый корпус (16-я танковая, 60-я и 3-я моторизованные дивизии), LI армейский корпус (44-я и 71-я пехотные дивизии), XI армейский корпус (100-я егерская дивизия и 369-я хорватский полк), XXIV танковый корпус (76-я и 295-я пехотные дивизии). Из состава 4-й танковой армии Г.Гота на южные подступы к Сталинграду вышел XXXXVIII танковый корпус (14-я и 24-я танковые дивизии, 29-я моторизованная дивизия). Общая численность участвовавших в боях за сам город немецких войск составляла примерно 100 тыс. человек.
У обеих сторон к началу городских боев за Сталинград оставалось довольно много бронетехники. Например, на 31 августа в 24-й танковой дивизии насчитывался 41 танк. Нет оснований считать, что другие немецкие танковые дивизии были в худшем состоянии. Пехотные соединения Паулюса поддерживались 177-м и 244-м батальонами штурмовых орудий. В город также отступили сравнительно крупные советские танковые силы. Отошел на восток и 30 августа вошел в состав 62-й армии 23-й танковый корпус (6-я гвардейская, 6, 27-я и 189-я танковые бригады). На 11 сентября в составе корпуса насчитывалось исправными 44 танка T-34, 11 Т-70 и 1 Т-60. Неисправными числились, соответственно, 23 T-34, 9 Т-70 и 12 Т-60. Часть этих машин была отремонтирована и пошла в бой. Также в городских боях принимала участие 133-я танковая бригада танков KB (14 исправных и 8 неисправных машин на ту же дату).
Сразу после прорыва немецких танков к северной окраине Сталинграда началась спешная эвакуация населения города. Переправа людей на левый берег Волги производилась судами Сталинградского речного флота и Волжской военной флотилии. 23—24 августа, после того как все причалы были уничтожены ударами с воздуха, сталинградские речники организовали переправу катерами и баркасами. Этот этап эвакуации проходил под ударами с воздуха и даже артиллерийским огнем противника. Санитарный пароход «Бородино» с 700 ранеными был расстрелян прямой наводкой в районе Рынка и затонул, спаслось всего лишь около 300 человек. Такая же участь постигла и пароход «Иосиф Сталин» с эвакуируемыми жителями. Из находившихся на корабле 1200 человек спаслось вплавь всего около 150 человек.
Выход противника к внутреннему обводу создавал непосредственную угрозу захвата Сталинграда. Прижатая к Волге 62-я армия, все коммуникации которой теперь проходили по находившимся под постоянным воздействием авиации противника переправам через реку, самостоятельно долго продержаться не могла. Требовалось принять срочные меры, которые позволили бы отвлечь часть сил 6-й армии от города, ослабить его нажим и выиграть время для организации непосредственной обороны города и подтягивания резервов в него с левого берега Волги.
С этой целью Ставка ВГК директивами № 994171 и 994174 от 27 и 28 августа 1942 г. вновь усилила Сталинградское направление экс-резервными армиями. В начале сентября на усиление левого крыла Сталинградского фронта прибыли: 24-я армия генерал-майора И.В.Галанина (173, 207, 221, 292-я и 308-я стрелковые дивизии) и 66-я армия — генерал-лейтенанта Р.Я.Малиновского (49, 99, 120, 231, 299-я и 316-я стрелковые дивизии, 10-я и 69-я танковые бригады). 66-я армия — это бывшая 8-я резервная армия, а 24-я армия — бывшая 9-я резервная армия. Таким образом, к началу сентября 1942 г. уже семь из десяти формировавшихся в начале лета резервных армий были выкачаны на защиту Сталинграда и юго-западное направление в целом. Собственно под Сталинградом были задействованы 1 -я (ставшая 64-й общевойсковой армией), 5-я (63-я), 7-я (62-я), 8-я (66-я) и 9-я (24-я) резервные армии. Кроме того, под Воронежем были задействованы 3-я (ставшая 60-й общевойсковой армией) и 6-я (6-я) резервные армии, а управление 1-й гвардейской армии переформировано из управления 2-й резервной армии. Конечно, самой задачей создававшихся резервных армий было парирование кризисов, но более интересным для советского командования было бы наращивание ими ударов на московском направлении. Однако отсутствие решительного успеха на Западном и Калининском фронтах и кризис на юге заставили задействовать под Сталинградом не только резервы, но и лучшие умы. Под Сталинградом уже работал А.М.Василевский, 27 августа Г.К.Жуков был назначен заместителем Верховного Главнокомандующего, а 29 августа вылетел в Камышин координировать действия экс-резервных армий к северу от Сталинграда.
