Западный фронт . Бои юго-западнее Козельска. Сломив сопротивление противника, 3-й танковый корпус совместно с 342-й стрелковой дивизией к исходу 3 сентября (четверг) овладел Волосово, а 1-я гвардейская мотострелковая дивизия форсировала Вытебеть и освободила Жуково. 3 сентября через Вытебеть переправилась 195-я танковая бригада и устремилась на Перестряж. Однако овладеть им не смогла, так как наткнулась на большой овраг, который прикрывался огнём немецкой противотанковой артиллерии, а вскоре противник атаковал танками с левого фланга. Хотя контратаку удалось отбить, наступление 195-й танковой бригады приостановилось. Не смогли развить успех на запад и остальные войска 3-й танковой армии, а также и ударная группа 16-й армии, наступавшая с севера. Вечером 3 сентября из-за отсутствия танков в резерв Ставки был выведен 3-й танковый корпус.
Сталинградский фронт . 3 сентября 1-я гвардейская армия перешла в наступление. Она начала его без достаточной артиллерийской и авиационной подготовки и поддержки, не успев подтянуть к исходным позициям всех своих сил. Паулюс заблаговременно укрепил свой левый фланг, создавая здесь мощную огневую систему и эшелонированную оборону. Германское командование отслеживало сосредоточение советских войск. Перед самым началом советской атаки немцы нанести артиллерийский удар по сосредоточившимся на рубежах атаки дивизиям, причинив им большой урон, а с переходом частей в наступление бросили против них авиацию. В результате, продвинувшись на 5-6 км, армия Москаленко была остановлена противником. На следующий день советские войска, введя в бой второй эшелон, продолжали атаковать на тех же направлениях и с тем же результатом. Снова в момент начала атаки заговорила германская артиллерия и полтора часа наносила удары по рубежам сосредоточения, и вновь в воздухе господствовала германская авиация.
Юго-Восточный фронт . Утром 3 сентября немцы повели наступление по всему фронту. К полудню на левом фланге 64-й армии им удалось переправиться через реку Червленую и прорвать оборону у посёлков Цыбино и Нариман. На участке 62-й армии, преодолев советские позиции на реке Россошка, противник вышел на линию разъезда Басаргино. Советские войска с тяжёлыми боями отходили на последние позиции, к Сталинграду. Армии понесли большие потери, в некоторых дивизиях оставалось по 500—1000 человек, в десяти танковых бригадах, действовавших в полосе 62-й и 64-й армий, имелось всего 146 танков.
В директиве от 3 сентября Ставка указала своему представителю в штабе Сталинградского фронта генералу армии Г. К. Жукову: «Положение со Сталинградом ухудшилось Противник находится в трёх верстах от Сталинграда. Сталинград могут взять сегодня или завтра, если северная группа войск не окажет немедленной помощи. Потребуйте от командующих войсками, стоящих к северу и северо-западу от Сталинграда, немедленно ударить по противнику и прийти на помощь к сталинградцам. Недопустимо никакое промедление. Промедление теперь равносильно преступлению. Всю авиацию бросьте на помощь Сталинграду. В самом Сталинграде авиации осталось мало».
Закавказский фронт. 3 сентября противник южнее Моздока был отброшен подошедшими соединениями 11-го гвардейского стрелкового корпуса на 9 километров в северном направлении. Однако враг не отказался от своего замысла прорваться в долину Алхан-Чурт. Более двух недель шли упорные бои в районе Малгобека.
Начались наступательная операции 46-й армии Закавказского фронта на Клухорском перевале.
