24 августа началось советское наступление, на подготовку которого ушло всего пять часов. 35-я гвардейская стрелковая дивизия с 169-й танковой бригадой (остальные войска еще не подошли) к двум часам дня продвинулась в район Большие Россошки и соединилась с войсками 62-й армии. Но подошедшие части 60-й мотопехотной дивизии восстановили сообщение с прорвавшимися к Волге войсками, отрезав части группы Коваленко от их тылов. Немецкие 60-я и 3-я мотопехотные дивизии создали оборону фронтом на север и юг, чтобы не допустить окружения 16-й танковой дивизии.
Войска германского 51-го армейского корпуса вели наступление с плацдарма вдоль линии железной дороги Калач – Сталинград, но встретили сильное сопротивление.
Группа генерала Коваленко была усилена прибывшими из резерва Ставки 4-м и 16-м танковыми корпусами и 24-й, 84-й и 315-й стрелковыми дивизиями. Ей и группе Штевнева было приказано 25 августа ликвидировать немецкий прорыв к Волге. Советская 4-я танковая армия должна была силами 27-й гвардейской и 298-й стрелковой дивизий выйти на левый берег Дона на участке Верхне-Гниловский – Вертячий.
62-й армии, в состав которой вошли 35-я гвардейская стрелковая дивизия и 169-я танковая бригада, предстояло выйти на рубеж Вертячий – Песковатка. Прибывшая из резерва Ставки 64-я стрелковая дивизия прикрывала направление на Камышин. Для обороны города в резерве Сталинградского фронта оставались прибывавшие из резерва Ставки 124-я, 115-я и 149-я стрелковые бригады.
Однако организация нового советского наступления задержалось. Группа Коваленко только 26 августа совместно с 4-й танковой и 62-й армий и группой Штевнева смогла сократить ширину коридора до 4 км, так что немцам пришлось вплоть до 30 августа снабжать 16-ю танковую дивизию по воздуху.
23 августа авиация 4-го воздушного флота начала массированно бомбить Сталинград, используя до 200 бомбардировщиков. В результате бомбардировок были повреждены Тракторный завод, завод «Баррикады», завод «Красный Октябрь» и ряд других предприятий на севере города, а также административные и жилые здания в центре. Бомбардировке не подвергалась южная часть города, где преобладали жилые дома и где германские войска собирались расквартироваться на зимние квартиры.
Российские историки Михаил Зефиров, Дмитрий Дегтев и Николай Баженов так описывают тот ад, который царил в Сталинграде 23 августа: «На металлургическом заводе «Красный Октябрь» продолжалась работа, когда девять Ju-88, зайдя со стороны Волги, с пикирования сбросили бомбы на его корпуса. Мощные взрывы вздыбили крыши цехов, взметнув в небо столбы огня и дыма. Затем «Юнкерсы» с воем пронеслись над крышами домов, выходя из пике. На заводе начался кромешный ад. В литейном корпусе № 3 прямо на рабочих с грохотом повалились многотонные швеллера и балки, фрагменты крыши. Взрывной волной из доменных печей выбросило пламя, на пол хлынули потоки жидкого металла, из пробитых трубопроводов потек горящий мазут. Те, кто еще не был придавлен или разорван в клочья, тотчас вспыхнули и с неистовыми криками носились в дыму. Рабочие, которым посчастливилось не оказаться в очагах поражения, уже не дожидаясь «официального приказа», бросились бежать на улицу. Одни запрыгивали в вырытые поблизости щели, другие мчались прочь подальше от цехов.
Сталинградцы, которых бомбежка застала дома, не сразу оценили масштаб происходящего. Те, кто боялся за свое имущество, оставались в квартире, нервно поглядывая в окна, другие спускались в подвал или в щели. Тысячи горожан налет застал в транспорте или просто на улице. После первых взрывов все они, взглянув на небо, увидели, как из-за реки, с юга и с запада, со всех сторон приближались следующие группы бомбардировщиков. Столбы огня и дыма поднимались уже и в северной части города над Тракторным заводом и где-то на юге. Добравшись до укрытий, зачастую представлявших собой простые окопы, сталинградцы со страхом смотрели наверх. Было видно, как из идущих ровным строем самолетов вываливаются и тотчас рассыпаются веерами серебристо-белые предметы. Вскоре они превратились в огромные «зонты», так что все небо вскоре стало молочно-белым.
Это и были особые зажигательные бомбы люфтваффе, которые советская служба МПВО называла «зажигательными листочками». Десятки тысяч полосок обмазанной фосфором фольги, вспыхивая при соприкосновении с воздухом, медленно опускались на центр города и прилегающие кварталы. Словно завороженные сталинградцы смотрели вверх, в оцепенении наблюдая, как огненный листопад приближается к крышам домов. При соприкосновении с поверхностью «листочки» начинали пылать яростным сине-белым пламенем огромной температуры. И за считанные минуты по всему городу возникли уже сотни пожаров.
Но через некоторое время появляются новые группы «Хейнкелей» и «Юнкерсов». От них отделяется множество черных точек. Это уже фугасные и осколочные бомбы. Протяжный свист, потом глухие звуки взрывов, комья земли, осколки, битое стекло, дым… Те, кто не погиб, вздыхают с облегчением и молятся, чтобы следующая серия адских машин не упала на них. Чуянов потом вспоминал: «Горят дома, рушатся здания Дворцов культуры, школ, институтов, театров и многих учреждений. Город превращается в кромешный ад. Пожарные и бойцы противовоздушной обороны делают все возможное: растаскивают горящие крыши, извлекают людей из-под обломков. А с почерневшего от дыма неба продолжают сыпаться бомбы. Центральная часть города объята пламенем невероятно больших масштабов. От перегрева воздуха и сотрясений поднялся небывалой силы ветер, он удлиняет огненные крылья пожаров, и теперь кажется, воспламеняется небо и все пространство – от горизонта до горизонта».
Вследствие многочисленных взрывов фугасных бомб работа водозаборных станций в 16:42 была полностью парализована, и тушение массовых пожаров оказалось практически невозможным. Во всех районах вышла из строя телефонная связь, прекратилась подача электроэнергии. Умолкли даже громкоговорители, монотонно талдычившие: «Граждане! Воздушная тревога!» А бомбардировщики тем временем волна за волной снова заходили на город. Несколько бомб упали на территорию городского зоопарка. Напуганная слониха, в мирное время являвшаяся его основным экспонатом, преодолела ограду и принялась носиться по улицам, дополняя жуткую картину апокалипсиса.
Возвращаясь на аэродромы в Морозовскую и Тацинскую, немецкие самолеты заправлялись горючим, загружались новыми бомбами и опять поднимались в небо. Когда в штабе 8-й воздушной армии Т. Т. Хрюкина из разрозненных донесений наконец осознали масштабы налета, в воздух были подняты практически все имевшиеся в распоряжении исправные истребители. Среди них был и самолет старшины 4-го ИАП В. Д. Лавриненкова. Прибыв на высоте 4 000 метров в район Сталинграда, он увидел жуткую картину. Над городом из разных мест поднимались огромнейшие столбы дыма, по земле извивались их широкие тени, уходящие за Волгу. Среди кварталов полыхали страшные пожарища, гигантские языки пламени рвались в небо, при этом как бы танцуя и причудливо извиваясь. Местами сквозь дым зловеще просвечивало солнце. Лавриненков знал, что где– то здесь действуют летчики других полков, однако повсюду, куда он ни смотрел, небо кишело немецкими самолетами. На разных высотах, вдалеке и вблизи виднелись то исчезающие в дыму, то выныривающие из него «Мессершмитты», «Юнкерсы» и «Хейнкели». Было отчетливо видно, как от них отделяются бомбы и сыплются на город. Вскоре начался бой…
Истребители 102-й ИАД ПВО также выполняли боевую задачу и постоянно находились в воздухе. За сутки некоторые пилоты выполнили по семь боевых вылетов. Взлетали вначале полками, затем эскадрильями, звеньями и отдельными самолетами. В суматохе приземлялись на первом попавшемся аэродроме, чтобы пополнить запасы боеприпасов и топлива, и вновь поднимались в воздух. Однако эффект от этих полетов был небольшим. Советские истребители подходили к городу разрозненными группами и сразу же перехватывались «Мессершмиттами». Только пилоты одной I./JG53 одержали в этот день в небе над волжским городом 17 побед.
Тем временем налет продолжался. К городу подходили новые волны бомбардировщиков. Один из пилотов 5-й эскадрильи KG27 «Бельке» вспоминал: «Первая атака в составе соединения несколькими звеньями на город Сталинград. Вместе с нами атаковали «Штуки», штурмовики и истребители. Грандиозная зенитная оборона русских. Мы летим на высоте 7 500 м. Бомбы сбросили в точке сброса над окраиной города, так как иначе могли поразить собственные самолеты, летевшие ниже нас».
Самое страшное случилось, когда Не-111 из эскадры KG55 сбросили бомбы на нефтехранилища, расположенные на берегу Волги в районе завода «Красный Октябрь». Произошло несколько мощнейших взрывов, и сталинградцы увидели, как огромный столб пламени взметнулся в небо на сотни метров. Затем от нагрева уцелевшие баки стали гулко взрываться, выбрасывая вверх новые столбы огня и дыма. Через какое-то время горящие нефтепродукты огненным потоком устремились по склонам к воде. Начались массовые пожары, пламя стремительно выжигало все на своем пути. Пылающая нефть потекла в Волгу, поджигая пароходы, баржи, пристани…
Огонь, горевший над одним зданием, соединялся с соседним огнем, и в результате горели целые улицы. Пламя перебрасывалось с дерева на дерево, врывалось в квартиры, на лестничные площадки, мгновенно выжигая все на своем пути, перепрыгивало с крыши на крышу. Пылал даже асфальт! В центре города, пытаясь спастись от пламени, люди прыгали с верхних этажей, вылезали на балконы и карнизы, висли на водосточных трубах, но смерть настигала их и там. Пожарные машины поначалу еще пытались бороться с огнем, но из-за нехватки воды и многочисленных завалов на улицах их действия оказались совершенно бесполезными.
Вскоре образовались гигантские огненные смерчи, втягивавшие в себя остатки кислорода и поглощавшие улицу за улицей. Наиболее сильные смерчи возникли в районе завода «Красный Октябрь» и в центре города. Бежать от них было бесполезно. Задыхаясь от удушья, люди один за другим падали, некоторое время корчились на земле и замирали. Потом их тела вспыхивали как факелы и мгновенно обугливались…