21 августа оборона 15-й гвардейской стрелковой дивизии и Винницкого пехотного училища была прорвана, и 14-я танковая дивизия начала наступать на станцию Тундутово. Частям 422-й стрелковой дивизии удалось удержать станцию. Тогда Гот 22 августа, подтянув 24-ю танковую дивизию, захватил станцию Тингута. К разъезду «74 км» двигались 297-я пехотная и 29-я мотопехотная дивизии, потеснив 204-ю и 38-ю стрелковые дивизии. Командование 64-й армии перебросило на этот участок 154-ю морскую стрелковую, 20-ю истребительную, 133-ю танковую бригады и два полка противотанковой артиллерии. На рубеж станции Чепурники – Большие Чепурники выдвигались 56-я танковая бригада с 22 танками и 176-й пулеметно-артиллерийский батальон 118-го УРа.

Утром 23 августа, при мощной поддержке люфтваффе, 76-я пехотная дивизия перешла в наступление с плацдарма и прорвала оборону советских войск. В прорыв тут же были введены 16-я танковая и 3-я мотопехотная дивизии, начавшие развивать наступление в направлении разъезда 564 км.

23 августа командование Сталинградским и Юго-Восточным фронтом не придавало большого значения неприятельскому плацдарму у Вертячего. Все внимание было сосредоточено на юге у Абганерово, в полосе наступления немецкой 4-й танковой армии.

Утром 23 августа 98-я стрелковая дивизия сообщила о сильной атаке немцев. Командование фронтом бросило на ликвидацию прорыва 87-ю стрелковую дивизию со второго оборонительного обвода, но было поздно. 87-я дивизия на марше столкнулась с передовыми частями немецкой 16-й танковой дивизии и была почти полностью уничтожена. 98-я стрелковая дивизия также фактически перестала существовать, ее командир генерал– майор Баринов погиб. К 16 часам 23 августа 16-я танковая дивизия, пройдя 72 км, вышла к Волге на участке Рынок – Акатовка.

25 августа немецкие 14-я и 24-я танковые дивизии начали наступление в направлении на Ивановку, заняв рубеж Подсобное хозяйство – Солянка. Однако командование 57-й армии успело бросить им навстречу 6-ю танковую бригаду и противотанковую артиллерию и остановить наступление. После этого 26 августа немецкий 48-й корпус, смененный пехотой, был передислоцирован южнее, в район северо-западнее Абганерово.

Еще 20 августа Ставка начала перебрасывать в район Сталинграда 16-й и 4-й танковые корпуса, 173-ю, 221-ю, 116-ю, 24ю, 308-ю и 64-ю стрелковые дивизии, 124-ю,115-ю и 149-ю стрелковые бригады.

23 августа командующий Сталинградским фронтом создал в районе Самофаловки ударную группу под командованием своего заместителя генерал-майора К. А. Коваленко, в составе 35-й и 27-й гвардейских, 298-й стрелковых дивизий, 28-го танкового корпуса и 169-й танковой бригады. Другая ударная группа под командованием начальника бронетанковых и механизированных войск фронта генерал-лейтенанта А. Д. Штевнева, в составе 2-го и 23-го танковых корпусов, сосредоточилась в районе Орловки.

Группа Коваленко должна была во взаимодействии с группой Штевнева, наступавшей ей навстречу на Ерзовку, ликвидировать прорыв немецкого 14-го моторизованного корпуса к Волге. 10-й стрелковой дивизии НКВД, усиленной 99-й танковой бригадой, 21-м, 28-м отдельными танковыми батальонами, батальоном морской пехоты Волжской флотилии, предстояло оборонять северо-западную окраину Сталинграда при поддержке кораблей Волжской военной флотилии.

24 августа началось советское наступление, на подготовку которого ушло всего пять часов. 35-я гвардейская стрелковая дивизия с 169-й танковой бригадой (остальные войска еще не подошли) к двум часам дня продвинулась в район Большие Россошки и соединилась с войсками 62-й армии. Но подошедшие части 60-й мотопехотной дивизии восстановили сообщение с прорвавшимися к Волге войсками, отрезав части группы Коваленко от их тылов. Немецкие 60-я и 3-я мотопехотные дивизии создали оборону фронтом на север и юг, чтобы не допустить окружения 16-й танковой дивизии.

Войска германского 51-го армейского корпуса вели наступление с плацдарма вдоль линии железной дороги Калач – Сталинград, но встретили сильное сопротивление.

Группа генерала Коваленко была усилена прибывшими из резерва Ставки 4-м и 16-м танковыми корпусами и 24-й, 84-й и 315-й стрелковыми дивизиями. Ей и группе Штевнева было приказано 25 августа ликвидировать немецкий прорыв к Волге. Советская 4-я танковая армия должна была силами 27-й гвардейской и 298-й стрелковой дивизий выйти на левый берег Дона на участке Верхне-Гниловский – Вертячий.

62-й армии, в состав которой вошли 35-я гвардейская стрелковая дивизия и 169-я танковая бригада, предстояло выйти на рубеж Вертячий – Песковатка. Прибывшая из резерва Ставки 64-я стрелковая дивизия прикрывала направление на Камышин. Для обороны города в резерве Сталинградского фронта оставались прибывавшие из резерва Ставки 124-я, 115-я и 149-я стрелковые бригады.

Однако организация нового советского наступления задержалось. Группа Коваленко только 26 августа совместно с 4-й танковой и 62-й армий и группой Штевнева смогла сократить ширину коридора до 4 км, так что немцам пришлось вплоть до 30 августа снабжать 16-ю танковую дивизию по воздуху.

23 августа авиация 4-го воздушного флота начала массированно бомбить Сталинград, используя до 200 бомбардировщиков. В результате бомбардировок были повреждены Тракторный завод, завод «Баррикады», завод «Красный Октябрь» и ряд других предприятий на севере города, а также административные и жилые здания в центре. Бомбардировке не подвергалась южная часть города, где преобладали жилые дома и где германские войска собирались расквартироваться на зимние квартиры.

Российские историки Михаил Зефиров, Дмитрий Дегтев и Николай Баженов так описывают тот ад, который царил в Сталинграде 23 августа: «На металлургическом заводе «Красный Октябрь» продолжалась работа, когда девять Ju-88, зайдя со стороны Волги, с пикирования сбросили бомбы на его корпуса. Мощные взрывы вздыбили крыши цехов, взметнув в небо столбы огня и дыма. Затем «Юнкерсы» с воем пронеслись над крышами домов, выходя из пике. На заводе начался кромешный ад. В литейном корпусе № 3 прямо на рабочих с грохотом повалились многотонные швеллера и балки, фрагменты крыши. Взрывной волной из доменных печей выбросило пламя, на пол хлынули потоки жидкого металла, из пробитых трубопроводов потек горящий мазут. Те, кто еще не был придавлен или разорван в клочья, тотчас вспыхнули и с неистовыми криками носились в дыму. Рабочие, которым посчастливилось не оказаться в очагах поражения, уже не дожидаясь «официального приказа», бросились бежать на улицу. Одни запрыгивали в вырытые поблизости щели, другие мчались прочь подальше от цехов.

Сталинградцы, которых бомбежка застала дома, не сразу оценили масштаб происходящего. Те, кто боялся за свое имущество, оставались в квартире, нервно поглядывая в окна, другие спускались в подвал или в щели. Тысячи горожан налет застал в транспорте или просто на улице. После первых взрывов все они, взглянув на небо, увидели, как из-за реки, с юга и с запада, со всех сторон приближались следующие группы бомбардировщиков. Столбы огня и дыма поднимались уже и в северной части города над Тракторным заводом и где-то на юге. Добравшись до укрытий, зачастую представлявших собой простые окопы, сталинградцы со страхом смотрели наверх. Было видно, как из идущих ровным строем самолетов вываливаются и тотчас рассыпаются веерами серебристо-белые предметы. Вскоре они превратились в огромные «зонты», так что все небо вскоре стало молочно-белым.