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.