5月8日，德軍以巴爾文科沃突出部出發陣地，向明軍起了進攻。
5月8日，博克B集團軍群左翼霍特第4裝甲集團軍和魏克斯第2集團軍突然從庫爾斯克東北向東攻擊，對布良斯克方向上的段驍嗣集群的第13和40集團軍實施了突擊，目標直指頓河上游的沃羅涅日。但是進攻被明軍有效遏制，德軍未能前進一步，戰鬥陷入僵持階段。
5月9日，右翼保盧斯第6集團軍也從哈爾科夫東北發起了進攻，以察里津為目標向東南挺進，並突破第21和28集團軍防禦。在沃羅涅日方向上明軍和俄軍所有的預備隊都投入作戰，最高統帥部還抽調第6、第60集團軍和坦克第5集團軍加強布良斯克方面段驍嗣集群的兵力。隨著預備隊不斷投入，沃羅涅日方面局勢稍有緩和，但沒有完全消除德軍突破頓河以及沿頓河向察里津方面突擊的嚴重風險。
5月28日，霍特第4裝甲集團軍的前鋒已逼進沃羅涅日。但阿道夫突然改變了計劃，決定不占領該城，他命令霍特在獲得第2集團軍的接替後，迅速轉向南面沿頓河向察里津前進。
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而博克元帥卻想占領沃羅涅日，以便能以此為依託圍殲或擊潰該地域內的明軍主力。博克在此抗命，這使阿道夫大為惱怒，當即撤消博克元帥的B集團軍群司令之職，由第2集團軍司令魏克斯上將接任，第2集團軍司令則由薩姆斯將軍繼任。博克元帥從此再也沒走上過戰場。
在南面高加索方向，德軍利斯特上將的A集團軍群於6月1日發起進攻。其左翼克萊斯特第1裝甲集團軍從哈爾可夫南面向頓尼茲河北岸進擊。魯夫第17集團軍則從塔甘羅格北面向伏羅希洛夫格勒進攻。同時，匈牙利第2集團軍和第4裝甲集團軍也對佛羅尼斯發動了突襲，並在6月5日攻陷由俄軍駐守的該城。
德軍的進攻非常成功，佛羅尼斯的陷落使明俄聯軍在空曠的大草原上很難進行有效的抵抗，明俄聯軍後撤達100-300公里，頓河及頓巴斯盆地最富饒的地區均落入德軍之手。
這一戰讓德軍的士氣有所提升，也讓蘇定方怒火萬丈。他拍著桌子喊道：「阿道夫這個瘋子，簡直不能用正常人的的思維來衡量他。他這一通瞎指揮居然起到了亂拳打死老師傅作用。我小看他了。哼，不過沒關係，我們不以一城一地的得失而論輸贏，誰笑到最後誰笑得最甜。」
厚照：「對頭，我的參謀長就是聰明。雖說我們失去了大片的陣地，但是德軍的兵力損耗可比我們大得多。我軍是有目的的戰略後撤，為的是更好的進攻。看看阿道夫還有多大本事變出更多的軍隊來，你看著吧，阿道夫會越來越多的干擾前線的指揮，幸運不會總伴隨著他，瞎指揮會讓他犯更多的錯誤，這是我們所願意看到的。告訴將士們，憋足了勁，咱們在察里津請阿道夫吃大餐。」
不出厚照所料，德軍第6集團軍在戰役初期就取得令人滿意的戰果，使希特勒再次改變了計劃。他認為攻占察里津無需那麼多兵力，於是在6月17日命令霍特第4裝甲集團軍從察里津方向南下，轉隸A集團軍群，以支援克萊斯特第1裝甲集團軍強渡頓河下游。這樣一來，察里津方向的德軍進攻部隊就只剩下了保盧斯的第6集團軍（轄有6個軍，含2個裝甲軍，計14個師約27萬人，近500輛坦克，3000門火炮和迫擊炮，由第4航空隊1200架作戰飛機進行支援）。由於交通等問題，第6集團軍的前進步伐有所放慢，給了明俄聯軍一個短暫的增兵察里津的時間。
大明遠征軍最高統帥部下令堅守察里津，要求保衛察里津的部隊必須大量消耗德軍有生力量，鼓勵參戰將士以各種形式消滅德軍。厚照為此發布了訓令：「全軍將士務必要將德軍主力死死的拖住，並吸引大量的軍攻擊察里津。我們要讓察里津成為碾碎德軍血肉的磨盤，要讓察里津成為德軍的墳墓，成為我軍進行戰略反攻的轉折點！」
7月12日，遠征軍最高統帥部在蕭遠山集群的基礎上組建了察里津集團軍群，由蕭遠山大將指揮察里津方向的防禦任務。
其編成內有從遠征軍戰略預備隊調來的第62、第63、第64集團軍和原大明西伯利亞軍團的第21、28、38、57集團軍，坦克第1和第4集團軍（下轄第13、第22、第23坦克軍，有坦克1200輛），以及大明空軍第8集團軍、俄羅斯海軍伏爾加河區艦隊。
察里津集團軍群編制內共有68個師，全部占領主要地帶的防禦陣地，其任務是固守從巴甫洛夫斯克至庫爾莫亞爾斯卡亞的長約530公里、縱深為120公里的防禦地帶。當面之敵為保盧斯的第6集團軍和下轄的18個齊裝滿員師。明俄聯軍和德軍力量對比為，人員3.8：1.2，坦克2.4：1，飛機2：1，火炮和迫擊炮5：1，明俄聯軍實力占優。
在高加索方向，遠征軍最高統帥部決定將所有部隊編入北高加索集團軍群，由杜小寶大將擔任司令，北高加索集團軍群的第37和12集團軍受領了掩護斯塔夫羅波爾方向的任務，第18、56、47集團軍則受領了掩護克拉斯諾達爾方向的任務。7月底至8月初，兵力上占優勢的明軍迅速地向前推進。並在邁科普方向上遏制了德軍左翼的進攻。
至此，阿道夫的不得不掉回頭來催促保盧斯加緊攻占察里津。被阿道夫指揮的頭暈腦脹的保盧斯終於得到了所需的兵力，於8月6日雙方在察里津接近地展開了激烈的交戰，察里津會戰正式開始。
德軍第6集團軍在保盧斯上將指揮下，以第8步兵軍和第14裝甲軍為北突擊集團，以第51步兵軍和第24裝甲軍為南突擊集團，突擊明軍第62集團軍防禦陣地並企圖實施包圍，同時向喀拉蚩方向發展進攻。保盧斯還以部分兵力向明軍第64集團軍發起佯攻，以吸引明軍的注意力。8月23日，明軍第62集團軍的守衛部隊，在大量殺傷德軍有生力量之後按計劃主動撤出陣地，德軍在付出了慘重的代價換來的卻是一片廢墟，不過總算是前出到察里津西面的頓河河岸。
8月25日，德軍對由明軍第64集團軍的右翼陣地發起攻擊，企圖在喀拉蚩附近強渡頓河。
8月29日，明軍第64集團軍再給於德軍大量殺傷之後，按計劃退過頓河。而德第6集團軍由於缺少裝甲兵力支援和空中的掩護，在付出了贊慘重代價奪取了兩處明軍主動放棄的陣地之後，不得不被迫轉入防禦態勢。阿道夫試圖在短時間內，在運動中占領察里津的計劃被徹底粉碎。
8月30日，希特勒又作了一個影響命運的決定。他宣布：「因為高加索的命運是將要在察里津決定的，所以由於這個會戰的重要性，遂有從A集團軍群抽調兵力以增強B集團軍群之必要。」於是，霍特的第4裝甲集團軍又歸還給B集團軍群，並於9月1日奉命沿科捷爾尼科沃—察里津鐵路向東北方向進擊，當天該部即迅速突破了俄軍第51集團軍的防線，占領了蒙特納亞。俄軍第51集團軍司令由於指揮失誤，被送上了軍事法庭。其職務由大明遠征軍孫立人中將接替。
9月3日，霍特挾大勝之威前出到阿勃加涅羅沃地域，但在遭到明軍第64集團軍的迎頭痛擊之後，他前進的腳步也就達此為止了。霍特只好放棄了獨立攻占史達林格勒的想法，9月9日轉入防禦狀態。
9月19日，保盧斯和霍特重新發起了進攻。保盧斯第6集團軍從察里津西北面的特列赫奧斯特羅夫卡亞向東南攻擊，22日占領被明軍第62集團軍主動放棄的在韋爾加奇和彼斯科瓦特卡地段的防線。隨後保盧斯強渡頓河，占領了喀拉蚩，23日第14裝甲軍推進到察里津北郊的葉爾佐夫卡地域，前出到伏爾加河。霍特第4裝甲集團軍從南面的阿勃加涅羅沃地區向北進攻，在德軍的攻擊即將精疲力竭的時候，明第64集團軍主動放棄陣地。29日，霍特進至城南的加夫里洛夫卡地域，其前鋒已前出到京古塔車站。
10月2日，保盧斯第6集團軍右翼與霍特第4裝甲集團軍左翼在舊羅加奇克地區取得了聯繫。與此同時，德軍第4航空隊出動飛機300架，入夜又出動2000架次飛機對察里津進行狂轟濫炸。但是，的軍空軍在大明空軍的阻擊下損失過半。察里津會戰的關鍵時刻到來了。