Донским командованием операция планировалась как обширный удар по флангам - на Великокняжескую, для соединения с Добровольческой Армией, и на Красный Яр - Камышин группой генерала Фицхелаурова, призванной обезопасить наступление на Царицын с северо-запада. Группа Мамантова двумя колоннами стремительно продвигалась из района Калача (занят казаками 18 июля) и Нижне-Чирской на Сарепту. В ночь на 21 июля части Мамантова переправились на левый берег Дона, захватили станцию Кривомузгинскую и двинулись к станции Воропоново, расположенной в 15 километрах от Царицына. Стремительной атакой единый красный фронт был рассечен. С ходу казаки прорвали несколько рубежей обороны. 5 августа захватили Сарепту, начали обстреливать Царицын артиллерийским огнем. Несколько дней (со 2 по 7 августа) продолжались ожесточенные бои, доходившие до рукопашных схваток. Вскоре сила казачьего натиска ослабла, и уже 8 августа красные перешли в контратаки. Стало очевидно, что взять с налета Царицын не удастся, и Мамантов отвел полки на исходные позиции за Дон.
Начало второго наступления специально санкционировалось Войсковым Кругом. Части провели перегруппировку, получили помощь оружием и обмундированием. Оправившись от первых неудач, казаки снова двинулись вперед. Мамантовская группа получила сильное и стойкое пополнение из частей Молодой Донской Армии. Как писал в своих воспоминаниях начальник Штаба Донской Армии генерал И. А. Поляков, «для поднятия настроения и дисциплины в расшатавшихся частях Царицынского фронта было решено двинуть на помощь Мамантову небольшую часть этой армии. 1 и 2 Пластунские полки, 2-я Донская казачья дивизия, две тяжелых батареи и саперный батальон были направлены к Царицыну, и доблести этой молодежи, с беззаветным мужеством отдавшей жизнь свою за Родину, главным образом и был обязан ген[ерал] Мамантов быстрым исправлением положения и своими громадными успехами».
Штабом Мамантова был разработан план атаки на город с юго-запада через Железную дорогу Великокняжеская - Царицын, с выходом на Сарепту, и одновременный фланговый удар от Кривомузгинской на Воропоново и Царицын. Вспомогательный удар с северо-запада наносила группа генерала Фицхелаурова. На этот раз казакам Мамантова противостояла выросшая до 50 ООО бойцов X -я армия К. Е. Ворошилова.
Новое наступление началось 9 сентября. Казаки перешли Дон, прорвав Фронт у станции Ляпичево. Мамантов отвлекающим ударом захватил станцию Жутово и перерезал железную дорогу Великокняжеская - Царицын. Одновременно на центральном направлении была занята станция Кривомузгинская. Казачьи полки на этот раз не только захватили Сарепту, но и переправились через Волгу, взяв город Капустин Яр на праздник Покрова Пресвятой Богородицы (1 октября).
Казалось, ничто не могло остановить этого натиска. Бойцы Молодой Армии смело шли навстречу врагу, захватывали орудия, пулеметы и бронепоезда. 2 октября казаки ворвались в пригороды Царицына, но с огромным трудом Х-й армии удалось отбросить белых и на этот раз. Красными был организован мощный артиллерийский кулак из почти всех 180 орудий, и наступавших казаков встретила лавина огня. Внезапно в тыл казакам под Сарептой ударила «Стальная дивизия» Д. П. Жлобы, самовольно ушедшего с Кубани из-за конфликта с Главнокомандующим красными войсками Северного Кавказа И. Л. Сорокиным. 5 октября большевикам удалось отбросить казаков назад к Кривомузгинской, а несколькими днями позже к Гнилоаксайской. Как писал Атаман Краснов, «два раза казачьи части генерала Мамантова подходили к Царицыну, занимали уже Сарепту, и оба раза принуждены были отходить. Не было тяжелой артиллерии, чтобы парировать огонь Царицынских батарей, мало было сил, чтобы преодолеть и взять опутанную проволокой и весьма пересеченную оврагами Царицынскую позицию».
Генерал-лейтенант К.К. Мамантов.
Мамантов снова в первых рядах своих полков. Он лично останавливает дезертиров, с револьвером в руках выгоняет из тыловых составов офицеров-отпускников. Для «поднятия духа» издавались приказы, в которых говорилось о скорой расправе с непокорным городом, где домовитые казаки пополнят свое хозяйство. Мамантов заявлял о близкой помощи союзников, угрожал тем, кто не подчинится и будет оказывать сопротивление. Он всеми силами стремился к победе, которая помогла бы не только его карьере, но и закрепила бы, как тогда казалось, Белую власть на Тихом Дону.
На исходе второго наступления казачий фронт закрепился на линии станций Кривомузгинская — Гнилоаксайская. В это время существенно изменилось внешнее положение Дона. Ставка на немцев оказалась битой. В ноябре 1918 года в Германии произошла революция, Брестский мир был аннулирован, и немецкие войска спешно покинули Юг России. Теперь границы Донской Области со стороны Украины оказались открытыми для красных войск. Резко изменилось положение и на других участках Донского фронта. Наступление на Царицын становилось последней надеждой казачьего командования на победу. Теперь вместо помощи немцев ожидалась поддержка от англичан и французов, появившихся в Новороссийске. В Ростов и Новочеркасск приглашались союзные делегации во главе с начальником английской военной миссии на Кавказе генералом Пулем и французским капитаном Фуке.
29 декабря союзная делегация прибыла на Царицынский фронт. Пуль заверял всех в том, что в скором времени казакам будет оказана военная помощь. Приезд союзников на фронт имел для мамантовцев важное психологическое значение. Они ждали скорую поддержку накануне решительного наступления на Царицын, понимали, что нужно собрать все силы. Как писал Поляков, «взятие в то время Царицына, помимо больших материальных выгод... без сомнения отрезвляюще подействовало бы не только на малодушных казаков Северного фронта, но и подняло бы дух всего Донского казачества. Сверх того, успешное окончание операции здесь освобождало большое количество войск, каковые могли быть использованы для восстановления Северного фронта и помощи на других направлениях. Эти соображения побуждали Донское командование, несмотря на тяжелую обстановку и важные события на севере, проявить большую выдержку и ни в коем случае выделением отсюда частей не ослабить войск Царицынского фронта...»
Третье наступление должно было проводиться концентрированными ударами по сходящимся в Царицыне железным дорогам - Владикавказской и Юго-Восточной. Численность группы Мамантова впервые за счет мобилизаций удалось довести до 15 700 штыков и 16 200 сабель (против нее было 27 ООО штыков и 7300 сабель). Были учтены неудачи первых двух попыток взятия города. Атаман Краснов писал: «Для усиления Царицынского фронта спешно укомплектовывались и вооружались 3-я Донская дивизия и 2-я стрелковая бригада Молодой Постоянной армии, выписаны были пушки из Севастополя, для которых в Ростове, в мастерских Владикавказской железной дороги, делали особые бронированные платформы».
На Дону шли поголовные мобилизации, благодаря которым удалось довести все полки и батальоны мамантовской группы до штатного состава (полк - 3 500 человек, батальон - 1000 штыков, конные сотни - по 140 шашек). Группа Мамантова получила аэропланы, в наступлении использовались захваченные у красных бронепоезда. Были созданы отдельные офицерские батальоны (новшество, заимствованное у Добровольческой Армии) по 60-80 человек. Высок был и дух наступавших казаков. Генерал Поляков отмечал, что «к чести казаков восточного фронта, большевицкая пропаганда успеха здесь не имела. Зараза, привитая большевиками казакам на северо-западе Области, их не коснулась. Непрерывные успехи донцов на этом фронте, неудержимый наступательный их порыв, огромное количество пленных и трофеев и, наконец, полная растерянность противника, - давали основание Донскому командованию рассчитывать на скорое овладение Царицыном...» Сам Мамантов к этому времени получил от Атамана заслуженный чин генерал-лейтенанта.
19 декабря началось третье, последнее наступление на «Красный Верден». В течение двух недель кольцо окружения города замкнулось. 26 декабря у села Дубовый Овраг донская конница разбила противника, а в боях у Чапурников, Червленой, Сарепты, станций Воропоново и Гумрак красные были окончательно смяты и с громадными потерями отошли в Царицын. В Новогоднюю ночь 1919 года казаки генерала А. В. Голубинцева захватили Дубовку. В третий раз была захвачена Сарепта. Город обстреливала артиллерия, его регулярно бомбили аэропланы. Казаки по льду переправились на левый берег Волги. Начались бои уже в самом городе.
Но донские части выдыхались. Мамантов решил провести перегруппировку сил перед последним штурмом. Ждали помощи от Добровольческой Армии, завершившей к этому времени освобождение Северного Кавказа. Мамантов отдал приказ о скорой поддержке со стороны Добровольческого командования, призывая казаков продержаться для окончательной победы. Однако обещанные генералом А. И. Деникиным Кубанские пластунские бригады так и не успели подойти вовремя.
В это время луганского слесаря Ворошилова на посту командарма сменил бывший полковник А. И. Егоров. Но и он признавал, что красные войска находятся на грани катастрофы. В бой вводились последние резервы. Все решали часы, и глубокий рейд по тылам мамантовской группы Сводной кавалерийской дивизии С. М. Буденного спас красный фронт. Начались жестокие морозы. Мамантовцы, воюя в тяжелых условиях (по три дня в окопах, по три дня в резерве на хуторах), стали уставать.
Одновременно с этим началось стихийное отступление казаков на других участках фронта. Был прорван «Северный фронт» на Верхнем Дону. Станица Вешенская заключила договор о нейтралитете с наступавшими красными войсками, а вслед за ней о том же заявил и весь Верхне-Донской округ. Защищавшие его казаки стали расходиться по станицам. От 70-тысячной армии в одночасье осталось не более 15 тысяч. Вскоре почти вся территория Войска оказалась захваченной красными, и только ценой героических усилий Молодой Армии линия фронта в середине февраля 1919 года остановилась около Таганрога, Ростова и Новочеркасска.