Viszonylag rövid hadműveleti szünet után a szovjet vezérkar - némi vitát követően - tavasszal a nyugati és a déli irányban egyszerre próbálta felújítani az offenzívát. A front Moszkvával szembeni szakaszán ekkor lényegesen már nem sikerült hátrébb szorítani a németeket, délen azonban több sikerrel kecsegtetett Tyimosenkó marsall Harkov irányában május 12-én meginduló támadása (Délnyugati Front és Déli Front). A szovjet páncélosok áttörték a német védőállásokat, és több mint 100 kilométert előrenyomulva elérték Harkov külvárosát. Itt azonban kimerültek a támadó energiák, miközben a kialakult kiszögelés két oldalán megindult a német ellentámadás. Von Bock parancsnoksága alatt délről Kleist tábornok 4. páncélos hadserege, északról pedig Paulus tábornok 6. hadserege átkarolta, majd bekerítette a délnyugati front csapatait, mintegy 250 ezer foglyot ejtve és több mint 1000 szovjet tankot megsemmisítve.

A németek nyári offenzívájának előjátéka Szevasztopol bevétele volt. Az előző év októbere óta bekerített város ellen június 7-én kezdte meg Manstein tábornok hadserege. Június végére áttörték a várost övező védelmi gyűrűt, majd utcai harcban július 2-ig fokozatosan fölszámolták az ellenállást a városban, és elfoglalták a Herszonesz félszigetet.

A németek nagy nyári támadása – eltérően az előző évitől – már nem három, hanem csak egy hadműveleti irányba indult meg. Miközben Dél-Oroszországban fellángoltak a harcok, a front középső és északi szakasza alig mozdult. A történészek többsége már ebben a tényben az erőviszonyok átrendeződésének kezdetét látja. Máig vita van abban, hogy mi volt a német támadás valódi hadműveleti célja. Az egyik álláspont szerint a német főerők áttörve a Donon és a Volgán észak felé fordultak volna, hogy aztán dél és kelet felől egy óriási stratégiai bekerítéssel foglalják el Moszkvát. A másik vélemény szerint az elsődleges cél a grozniji olajmezők megszerzése, valamint a Kaukázuson keresztül az indiai út megnyitása volt. Elképzelhető az is, hogy a német stratégiai célkitűzések a hadműveletek alakulásának menete során változtak, és miután offenzívájuk a Don-kanyarban elakadt, átmenetileg letettek a Moszkva elleni hadműveletről, és a támadás fő súlypontja így helyeződött át a nyár végére délre.

A 2., a 4. páncélos és a 2. magyar hadsereg (Weichs hadseregcsoport) június 28-én kezdődött támadásukkal áttörték Rokosszovszkij marsall frontvonalát. Július 6-án elérték a Dont, itt azonban ismét erős szovjet ellenállásba ütköztek és Voronyezs térségében lényegében elakadtak. A 6. német hadsereg támadása azonban tőlük délre sikeresen bontakozott ki. Ennek hatására a német főparancsnokság délre irányította a 4. páncélos hadsereget is. Július 23-án ismét elfoglalták a Don melletti Rosztovot. Augusztus elején a Paulus vezérezredes 6. hadserege és Kleist 4. páncélos hadserege megindította a Volga irányába az új támadást. Időközben azonban a 4 páncélos hadsereget dél felé, a Kaukázus irányába fordították, miközben Paulus csapatai a Volga menti Sztálingrád elfoglalásának feladatát kapták. A német páncélosok átlagosan 40 km-t tettek meg naponta a dél-orosz sztyeppén. Augusztus 4-én Sztavropolt, 9-én Majkopot érték el, és Kleist erői behatoltak a Kaukázusba, szeptember elején pedig Paulus csapatai megkezdték Sztálingrád ostromát (a várost augusztus 24-én kezdte bombázni a Luftwaffe). A németek egyetlen hónap alatt - a tőlük már szinte megszokott ütemben - több száz kilométert tettek meg, a várt hadászati siker azonban elmaradt. Tyimosenko ugyanis - noha kemény utóvédharcokat folytatott - főerőit ezúttal sikerrel kivonta ki a német csapások elől, és csak Sztálingrád közvetlen előterében próbált megkapaszkodni. Ebben némi szerepet játszott az is, hogy Zsukov és Vasziljevszkij marsallok javaslatára Sztálin feladta a merev védelem elvét. Miközben a szovjet vezérkar augusztus végén hozzálátott a hadászati ellentámadás (Uranusz hadművelet) terveinek és logisztikai előkészületeinek kidolgozásához, Tyimosenko visszavonulhatott a Volgához, azzal az utasítással azonban, hogy a Volga vonalát és főleg Sztálingrádot mindenképpen tartania kell. Szeptember 6-án Paulus tábornok 6. hadseregének csapatai behatoltak a városba, amelyet a Csujkov tábornok parancsnoksága alatt álló 62. hadsereg védett. A már rommá bombázott városban kemény utcai harcok alakultak ki. A németek szeptember 13-án a várostól délre elérték a Volgát. Minden házért napokig tartó harc folyt, október végére a város nagy része lényegében a kezükre is került (volt, ahol csak német peremvonalat csak száz méter választotta el a folyótól, átütő sikert azonban nem tudtak elérni. Veszteségeik hatalmasak voltak. Július közepe (az offenzíva kezdete) és november 19. között mintegy 200 000 halottat, 1500 tankot, 1000 ágyut és 1300 repülőgépet vesztettek.