Именно в такой обстановке начиналась Сталинградская битва. Нацеленная на Сталинград немецкая 6-я армия получала эшелоны с новыми противотанковыми пушками, ей передавались дивизионы тяжелых орудий. В составе армии Паулюса к началу боев в большой излучине Дона насчитывалось около 300 танков, но она обладала большим количеством тяжелых орудий - около 250 стволов калибром 150-мм и 210-мм.
Обескровленный отступлением Юго-Западный фронт мог противопоставить немецкой артиллерийской мощи всего несколько десятков тяжелых орудий. Наиболее реалистичным советским ответом на наступление противника на тот момент являлись танковые контрудары. Весь выпуск "тридцатьчетверок" на Сталинградском тракторном заводе (СТЗ) шел прямо в войска, в восстанавливаемые бригады. На июль 1942 г. пришелся пик производства танков Т-34 на СТЗ - завод сдал Красной Армии 421 "тридцатьчетверку". Всего же в большой излучине Дона в июле и начале августа 1942 г. советским командованием было задействовано свыше 1 000 танков.
Однако массированные контратаки стянутых под Сталинград танковых бригад не имели уже того эффекта, на которое рассчитывало советское командование. Сценарий боев был примерно одинаковым: огонь артиллерии останавливал и заставлял залегать пехотинцев, а прорвавшиеся танки встречал шквал кумулятивных снарядов немцев. В отчете командира 158-й танковой бригады указывалось: "Противник имеет новую противотанковую пушку порядка 57 мм калибра, которая с больших дистанций (1200 метров) легко пробивает броню КВ, а снаряд ее воспламеняет машину". Речь идет о кумулятивных боеприпасах к 75-мм танковым и противотанковым пушкам, упомянутым выше. 57 мм получилось за счет измерения диаметра пробоины от кумулятивной струи. Командир LI армейского корпуса 6-й армии генерал артиллерии фон Зейдлиц позднее писал, что издалека подбитые на подступах к Калачу советские танки выглядели, как огромное стадо слонов.
Тем не менее, советские танковые контрудары позволили избежать немедленного сползания ситуации к катастрофе. Бои в излучине Дона затянулись и вынудили немецкое командование развернуть на Сталинград 4-ю танковую армию Г. Гота. Ее части также были встречены танковыми контратаками под Абгенерово и на какое-то время остановлены. Однако проблемой являлся ограниченный эффект от танковых контрударов. Высокие темпы потерь снижали боеспособность танковых бригад, а последующее немецкое продвижение приводило к потере ремонтного фонда танков, утрате поврежденных и подлежащих восстановлению машин.
Особенно острой стала проблема в сентябре 1942 г., когда немецкие войска вышли к Сталинграду, и простор для маневра был сильно сужен. Попытки главных сил Сталинградского фронта пробиться на выручку защитникам города с севера успеха не имели. Г. К. Жуков в своих воспоминаниях предельно точно определил причины неудач наступлений к северу от Сталинграда (помимо общих для Красной Армии 1942 г. проблем): "Заняв ряд командных высот, он [противник] имеет дальнее артиллерийское наблюдение и может во всех направлениях маневрировать огнем. Кроме того, у противника есть возможность вести дальний артиллерийский огонь и из района Кузьмичи-Акатовка-совхоз "Опытное поле". При этих условиях 24, 1-я гвардейская и 66-я армии Сталинградского фронта прорвать фронт обороны противника не могут". Вводимые же в бой танки быстро выбивались. Так, из 340 танков, участвовавших в контрударе Сталинградского фронта 18-19 сентября 1942 г., к 20-21 сентября осталось 183 боеготовых танка с учетом пополнения.