7月17日，德军保卢斯上将的第6集团军首先发起进攻。7月23日、26日，德军北、南路先后开始进攻，8月17日攻占顿河西岸全部地区，苏军退至斯大林格勒外围组织防御。8月18日，保卢斯的部队已经抵该城接近地，斯大林格勒在危机中。8月27日，斯大林将在波哥烈洛耶·哥罗迪舍指挥作战的朱可夫召回莫斯科，告诉他南方形势很糟，德军有可能攻占斯大林格勒。斯大林通知他，国防委员会已决定任命他为最高统帅部副统帅，并派他到斯大林格勒。8月29日中午，朱可夫到达小伊凡诺夫，与斯大林格勒方面军领导一起研究和制定了当前的防御和以后的反攻计划。9月12日，苏军全部退守市区围廓，外围防御地带丧失殆尽，战线离市区只有2～10公里。9月13日，德军突入市区。苏军与德军展开逐街逐房的战斗，德军每前进一步都付出了惨重的代价。苏军浴血苦战，死不弃城。
这时，朱可夫和总参谋长华西列夫斯基大将向最高统帅部提出一个反攻计划，主张将德军的进攻集团紧紧地钳制在斯大林格勒城下，在其两翼实施强大突击，建立起对德军斯大林格勒集团合围的对内正面，和保障消灭被围集团的对外正面。计划代号为“天王星”。此后的两个月，朱可夫极度紧张，亲自抓“天王星”作战的准备工作，同时参与保卫斯大林格勒的指挥工作。月末，斯大林格勒方面军改称为顿河方面军，朱可夫推荐罗科索夫斯基中将(1943年1月15日晋升为上将)接替戈尔多夫中将任司令员。