В июле, когда немецкие намерения стали совершенно ясны, советское командование разработало планы по обороне Сталинграда. Для создания нового фронта обороны советским войскам после выдвижения из глубины приходилось с ходу занимать позиции на местности, где отсутствовали заранее подготовленные оборонительные рубежи. Большинство соединений Сталинградского фронта представляли собой новые формирования, которые ещё не были должным образом сплочены и, как правило, не имели боевого опыта. Ощущался острый недостаток в истребительной авиации, противотанковой и зенитной артиллерии. Во многих дивизиях не хватало боеприпасов и автотранспорта.
Общепризнанной датой начала битвы считается 17 июля. Однако Алексей Исаев обнаружил в журнале боевых действий 62-й армии данные о двух первых столкновениях, произошедших 16 июля. Передовой отряд 147-й стрелковой дивизии в 17:40 был обстрелян возле хутора Морозова противотанковыми пушками противника и уничтожил их ответным огнём. Вскоре произошло более серьёзное столкновение:
«В 20:00 четыре немецких танка скрытно подошли к хутору Золотой и открыли огонь по отряду. Первый бой Сталинградской битвы длился 20—30 минут. Танкисты 645-го танкового батальона заявили, что уничтожено 2 немецких танка, 1 противотанковая пушка и ещё 1 танк подбит. Видимо, немцы не рассчитывали столкнуться сразу с двумя ротами танков и послали вперед всего четыре машины. Потери отряда составили один Т-34 сгоревшим и два Т-34 подбитыми. Первый бой кровопролитного многомесячного сражения не был ознаменован ничьей смертью — людские потери двух танковых рот составили 11 человек ранеными. Таща за собой два подбитых танка, отряд вернулся назад».
17 июля на рубеже рек Чир и Цимла передовые отряды 62-й и 64-й армий Сталинградского фронта встретились с авангардами 6-й немецкой армии. Взаимодействуя с авиацией 8-й воздушной армии (генерал-майор авиации Т. Т. Хрюкин), они оказали упорное сопротивление противнику, которому, чтобы сломить их сопротивление, пришлось развернуть пять дивизий из тринадцати и затратить пять суток на борьбу с ними. В конце концов немецкие войска сбили передовые отряды с занимаемых позиций и подошли к главной полосе обороны войск Сталинградского фронта. Сопротивление советских войск заставило нацистское командование усилить 6-ю армию. К 22 июля в ней было уже 18 дивизий, насчитывавших 250 тыс. человек боевого состава, около 740 танков, 7500 орудий и миномётов. Войска 6-й армии поддерживали до 1200 самолётов. В итоге соотношение сил ещё более увеличилось в пользу противника. Например, в танках он теперь имел двукратное превосходство. Войска Сталинградского фронта к 22 июля имели 16 дивизий (187 тыс. человек, 360 танков, 7900 орудий и миномётов, около 340 самолётов).