К исходу 26 июля обстановка сложилась так, что требовалось быстрое нанесение контрудара, чтобы не допустить форсирования немцами реки Дон. Поэтому командование фронтом было вынуждено вводить в бой соединения танковых армий по мере их выдвижения и развёртывания на правом берегу Дона. Так, 28-й танковый корпус был введён в бой 27 июля, а 23-й – лишь 30 июля и только одной бригадой. 22-й танковый корпус 4-й танковой армии смог переправиться через Дон только к концу дня 28 июля и вступить в бой на следующий день. В целом для этих боёв были характерны самостоятельные действия танковых частей и подразделений. Стрелковые части, действовавшие совместно с танками, упорство в бою не проявляли и при первом же огневом воздействии противника приостанавливали наступление, оставляя танки в одиночестве. Наступавшие танковые части слабо поддерживались артиллерией и авиацией, при этом, немецкая авиация постоянно «висела» в воздухе. С обеих сторон определяющую роль в сражении играли подвижные части и подразделения. Они маневрировали, пытаясь обойти и окружить друг друга. Фронта, в классическом понимании этого слова, уже не существовало. Группы танков сражались в бескрайней степи, как эскадры кораблей на море, с боем добиваясь более выгодных позиций, загоняя противника в ловушки и засады, цепляясь на несколько часов или дней за населённые пункты, а затем покидая их. Ожесточённые бои в большой излучине Дона продолжались до 8 августа. Наступление прорвавшихся в тыл 62-й армии войск противника было остановлено, а окружённая группировка наших войск – деблокирована. Но ликвидировать вышедшую к Дону группировку врага и восстановить фронт 62-й армии не удалось. Однако и немецкому командованию не удалось осуществить свои планы по окружению частей Красной Армии на западном берегу Дона, не удалось немцам и переправиться через Дон. Вместо быстрого прорыва на восток, к Волге, войска 6-й армии были вынуждены втянуться в затяжные бои, а затем и перейти к обороне для перегруппировки сил и пополнения.
Танк Т-34 одной из частей Донского фронта на улице Сталинграда. Февраль 1943 года
В связи с этим 4-я немецкая танковая армия была повёрнута на сталинградское направление и 1 августа включена в состав группы армий «Б». Армия получила задачу нанести удар вдоль дороги Тихорецк – Сталинград и оказать тем самым помощь 6-й армии в овладении городом. 6 августа немецкие танки вышли на рубеж Абганерово – оз. Цаца – разъезд «74-й км» и двинулись к станции Тингута. Для ликвидации вклинившейся вражеской группировки 64-я армия нанесла 9 августа контрудар силами 13-го танкового корпуса. Противник был остановлен в 30 км от Сталинграда.
Несмотря на сопротивление советских войск 6-й немецкой армии всё же удалось форсировать Дон и к исходу 22 августа захватить на его левом берегу в районе Песковатки плацдарм шириной 45 км. Здесь противник сосредоточил шесть дивизий, из них одну танковую и две моторизованные (всего 250-300 танков), несколько тяжёлых артиллерийских дивизионов. 23 августа немецкая группировка при мощной поддержке авиации прорвала фронт на стыке 4-й танковой и 62-й армий. Задержать противника на среднем обводе не удалось. К 16.00 передовые части 16-й танковой и 3-й моторизованной дивизий 14-го танкового корпуса Вермахта вышли к Волге в районе Посёлка Рынок. В результате Сталинградский фронт был разрезан на две части узким 8-километровым коридором.
Вечером 23 августа 16-я танковая дивизия предприняла попытку с ходу ворваться в Сталинград с севера. Однако немецкие танки были остановлены девушками-зенитчицами 1077-го зенитно-артиллерийского полка. По танкам они стрелять не умели, они просто легли под них, не покинув позиций и ценой своих жизней задержав немцев на полчаса. За то время, пока немецкие танки давили зенитки и их расчёты, к реке Сухая Мечетка в 800– 1 000 м севернее Сталинградского тракторного завода вышли истребительный и учебный танковые батальоны. Оборону усилили несколько десятков вновь изготовленных и отремонтированных на СТЗ танков Т-34. Их экипажи составили рабочие сборочного и сдаточного цехов. Со склада были взяты 1 500 пулемётов ДТ. В ночь на 24 августа на северной окраине города занял позиции и 282-й стрелковый полк войск НКВД. Несмотря на яростные атаки, предпринятые противником в течение 23-25 августа, прорвать нашу оборону ему не удалось, и фронт на реке Сухая Мечетка стабилизировался.
Когда начались бои непосредственно в Сталинграде, тракторозаводцы ремонтировали танки непосредственно на переднем крае или увозили их на завод и через несколько часов возвращали экипажам. За период с 23 августа по 13 сентября 1942 года (до момента прекращения выпуска танков) было собрано и отремонтировано 200 танков Т-34. Кроме того, обороняющим город войскам для оборудования огневых точек было передано 170 башен танка Т-34 с орудиями и пулемётами.