Советскому командованию удалось вскрыть группировку врага, определить направление его главного удара, а также провести ряд мероприятий по совершенствованию обороны, в том числе по перегруппировке части сил и средств 62-й армии на ее правый фланг. Сопротивление советских войск заставило немецко-фашистское командование усилить 6-ю армию. К 22 июля в ней было уже 18 дивизий, насчитывавших 250 тыс. человек боевого состава, около 740 танков, 7,5 тыс. орудий и минометов. Войска 6-й армии поддерживали до 1200 самолетов.
В итоге соотношение сил еще более увеличилось в пользу противника. Например, в танках он теперь имел двукратное превосходство. Войска Сталинградского фронта к 22 июля имели 16. В таких условиях началось сражение в большой излучине Дона, продолжавшееся с 23 июля, когда противник вышел к главной полосе обороны войск Сталинградского фронта, до 10 августа. Враг пытался охватывающими ударами по флангам 62-й и 64-й армий окружить и уничтожить их в большой излучине Дона, выйти в район Калача и с запада прорваться к Сталинграду. Для решения этой задачи он создал две ударные группировки: северную.
Оставив под Воронежем свою 2-ю армию, гитлеровское командование повернуло 4-ю танковую армию в юго-восточном направлении на Кантемировку. В то же время 1-я танковая армия врага из группы армий 'А' 8 июля начала наступление из района Славянск, Артемовск на Старобельск, Кантемировку, нанося второй удар встык Юго-Западного и Южного фронтов. К середине июля войска 6-й и 4-й танковой армий вышли в большую излучину Дона и заняли Боковскую, Морозовск, Миллерово, Кантемировку, а соединения 1-й танковой армии вышли в район Каменска. «На юге разворачивается сражение . - отмечал в своем дневнике генерал Гальдер. - На западном участке противник еще держится, успехов мало. Войска 1-й и 4-й танковых армий, движущихся с севера, достигли Донца у Каменска. К северу отсюда противник разрознен на мелкие группы, которые уничтожаются наступающими с севера подвижными соединениями во взаимодействии с пехотными дивизиями». В ходе этих наступательных операций противник стремился окружить и уничтожить войска Юго-Западного и Южного фронтов. Но осуществить это ему не удалось.
Ставка советского Верховного Главнокомандования, разгадав замысел немецкого командования, приняла меры к отводу войск из-под угрозы окружения. Войска Юго-Западного фронта, охваченные противником с северо-востока и востока, с тяжелыми боями отступали за Дон к Сталинграду. Войска Южного фронта отходили из Донбасса к нижнему течению Дона, чтобы занять оборону по его левому берегу от Верхне-Курмоярской до Ростова. Перед лицом превосходящего противника требовалось сохранить войска для организации обороны в более выгодных условиях. Для этого необходимо было выиграть время за счет потери пространства.
На рассвете 23 июля в наступление перешла северная, а 25 июля и южная ударные группировки. Используя превосходство в силах и господство авиации в воздухе, враг прорвал оборону на правом фланге 62-й армии и к исходу дня 24 июля вышел к Дону в районе Голубинского. В результате до трех советских дивизий попали в окружение. Противнику также удалось потеснить войска правого фланга 64-й армии. Для войск Сталинградского фронта сложилась критическая обстановка. Оба фланга 62-й армии оказались глубоко охваченными врагом, а выход его к Дону создал реальную угрозу прорыва немецко-фашистских войск к Сталинграду.
В целях восстановления положения командующий фронтом с разрешения Ставки ВГК ввел в сражение еще не закончившие формирование 1-ю и 4-ю танковые армии, которые совместно с 13-м танковым корпусом , приданным 62-й армии, получили задачу разгромить прорвавшуюся группировку врага. Однако контрудар танковых армий был организован поспешно и наносился разновременно, при слабой артиллерийской и авиационной поддержке и отсутствии прикрытия с воздуха. 1-я танковая армия перешла в наступление 27 июля, а 4-я танковая армия -- на два дня позже. В ходе ожесточенных трехдневных боев они нанесли противнику большой урон и задержали его наступление. 13-й танковый корпус прорвался к окруженным войскам и при содействии 1-й танковой армии обеспечил их выход к основным силам 62-й армии. 30 июля противник был остановлен и на правом фланге 64-й армии, где контрудар нанесли 23-й танковый корпус и две стрелковые дивизии. Однако обстановка вновь осложнилась в связи с тем, что в это время немецко-фашистские войска прорвали оборону Южного фронта и устремились на Северный Кавказ.