还有一个让德国人非常头疼的问题便是从斯大林格勒沿顿河上溯至沃罗涅什共长560公里，德军没有兵力来掩护，只有派了一些装备和战斗力都极差的附庸国部队：匈牙利第1集团军在沃罗涅什南面；意大利第8集团军在东南面更远一些的位置；罗马尼亚第3集团军在斯大林格勒正西、顿河弯曲部的右侧。当然，希特勒是知道这些附庸国部队是根本不能担当此重任的。但他也有自己的想法，深信只要能迅速攻克斯大林格勒，就能迅速抽调出足够的兵力。哈尔德却不同意他的看法，力主放弃攻打斯大林格勒，并向西撤退。希特勒为此免去了哈尔德陆军总参谋长的职务，原驻法国的德军总司令库特凡·蔡茨勒上将被任命为陆军总参谋长。
虽然朱可夫被任命为斯大林格勒战役的指挥官，但前线的形势还是不容乐观。到9月10日，朱可夫等苏军将领得出这样的结论：“以现有的兵力和部署是不可能赶走德军的。”9月12日，朱可夫奉命飞回莫斯科，与早先回莫斯科的总参谋长华西列夫斯基一起向斯大林汇报了前线的形势，并与斯大林一起到总参谋部去商讨作战方案。
华西列夫斯基总参谋长早已做了安排，责成一批参谋人员极其秘密地制定了斯大林格勒反攻的初步方案。这两员大将根据参谋人员提供的初步方案和他们自己在前线亲眼所见，对局势进行了仔细的分析和研究。
他俩详细分析了敌情，认为德第6集团军和第4坦克集团军消耗严重，已无力夺取斯大林格勒。仆从国匈、罗以及意大利的军队装备差，经验少，士兵和许多军官都不愿意被派到遥远的俄罗斯土地上为外国干涉者送死。
与此相反，几百万苏军指战员是为了保卫自己的祖国和家园而战。在一年多的艰苦战斗中，他们经受了锻炼，学会了很多东西，成长壮大起来了。同时，苏联的军工生产已有很大发展。最高统帅部正在组建拥有新武器的战略预备队，到11月份苏军将增加强大的机械化部队和坦克部队。那时他们将能完成更重大的任务。
鉴于以上分析，朱可夫和华西列夫斯基将军认为，苏军的行动计划应该是：第一，继续以积极防御疲惫敌人；第二，着手准备反攻，在斯大林格勒地区围歼法西斯军队。9月13日晚，朱可夫和华西列夫斯基又向斯大林汇报，呈上他们拟制的“斯大林格勒地区反攻计划的初步草案”。
草案大纲中有三个要点：第一，斯大林格勒的苏军寸土不让，进行城市争夺战，消耗和疲惫德军。第二，在8月下旬苏军夺取的顿河右岸屯兵场谢腊菲莫维奇秘密组建新的方面军，其中有以T－34型坦克装备起来的坦克集团军，以坦克集团军为突击力量，突然出击，突破敌军防御，迅猛南下，直插德军第6集团军的后方，将其全部围歼在斯大林格勒城下，彻底改变南线的战略形势。第三，由于到11月苏军才能有用T－34型坦克装备的坦克集团军，反攻须在11月中旬发起。
他们简单地交换了意见之后，斯大林说：“对计划需要再考虑一下，而且要计算一下我方资源。现在的主要任务是守住斯大林格勒和不让敌人向卡梅申方向推进。”这时，东南方面军司令员叶廖缅科从前线给斯大林打来电话，说德军正向市区方向调动坦克部队，第二天必然有新的突击。斯大林当即命令向市区增派一个精锐师，并命令空军立即采取行动，地面部队第二天拂晓就要发起冲击，牵制住敌人。
9月12日，希特勒从东普鲁士飞抵乌克兰的文尼察，召见了Ｂ集团军群司令魏克斯上将和第六集团军司令保卢斯上将，命令他们于9月13日对斯大林格勒发起新的进攻，并决定从高加索方向抽调9个师加强给第6集团军。希特勒强调，要尽快拿下斯大林格勒。9月13日，德军又对斯大林格勒发动新的进攻。从9月13日开始，德军为攻打斯大林格勒市区而拼死战斗。
■ 喋血巷战
德军攻打斯大林格勒市区的战斗从9月13日开始，到11月18日结束，历时两个月。
德军用在斯大林格勒方向上的兵力有50多个师，其中用来直接进攻市区的有13个师，共17万人。他们拥有500辆坦克、1700门大炮和迫击炮。
苏军斯大林格勒方面军和东南方面军虽然合起来有120个师，但是人员编制严重缺额，许多师只有编制人数的20%到25%，有的师仅有800人。实际上负责防守市区和西南一带的主力第62和64集团军总共只有9万人、1000门大炮和迫击炮、120辆坦克。在市区争夺战中，德军在兵力和武器上是占优势的。
9月13日，对交战双方来说，都是十分艰难的日子。我们从第62集团军收到的战斗报告中可见战斗的激烈程度。
7时30分：敌人进入学院大街。
7时40分：第30机械化旅第1营与主力失去联系。
7时50分：马马耶夫岗地段和火车站附近展开战斗。
8时：火车站落入敌手。
8时40分：火车站又在我军手中。
9时40分：敌人又占领火车站。
10时40分：敌人进入普希金大街，离集团军指挥所600米。
11时：敌2个团在30辆坦克的支援下突进专家大厦。
13时20分：火车站又回到我军手中。
9月14日，德军展开了24小时不间断冲锋。德军进攻市中心的马马耶夫高地，在不到4公里宽的地段上集中了6个师，并有数百架飞机从空中支援。德军很清楚，占领马马耶夫高地，就可以控制整个城市、厂区和伏尔加河。
14日和15日夜，苏军近卫军步兵冒着敌机轰炸，乘坐汽艇、驳船渡过伏尔加河增援市区战斗。16日和17日，德军以50至60架飞机为一批，对苏军进行密集轰炸突击，成吨重的炮弹，203毫米口径的炮弹，把整个地面炸翻了过来。9月17日，苏军又增调兵力给第62集团军，德军一度进到距苏军第62集团军指挥所仅600米处。
苏军在斯大林格勒人民群众的支援和配合下，战斗意志无比坚强，只要德军一向前推进，就要受到顽强的阻击和付出沉重代价。在这场殊死的战斗中，值得一提的是苏军战士为保卫苏联的每一寸土地，表现出视死如归、英勇顽强的英雄主义精神。
德军每天从早到晚不断冲击，一直持续了13天，9月25日，占领了市南和市中心的部分地区。27日，德军又将苏军挤到伏尔加河岸边。伏尔加河河面和所有渡口都处在德军枪炮火力控制之下。斯大林格勒几乎没有一座建筑物、工厂、住宅保持完整。
从9月27日～10月4日期间，双方展开争夺北部工厂区的血战。在这期间的战斗更加激烈。苏德双方为争夺每一座房屋、车间、水塔、铁路路基，甚至为争夺一堵墙、一个地下室和每一堆瓦砾都展开了激烈的战斗。苏联人，无论是士兵还是居民，在面对德军的狂轰滥炸时，都非常镇静。被炸毁的工厂成了苏联人的抵抗中心。一些工厂就在炮火纷飞中修理坦克，拖拉机制造厂甚至在德军逼近工厂厂门前，还在那里努力制造新坦克和装甲车。当工厂被炸无法生产时，工人们丢下残存的机器，加入工人营，与正规部队并肩投入反击德军侵略的战斗。
苏军在他们控制的战场上设下特殊的“捕杀场”，即在某些房屋，甚至在整个地段、街区里都密密布下地雷。在每一个布雷区外面都留出几条进路，而德军一旦闯入，就会遭到密集的火力射击。在一座破碎的建筑物里，德国人控制着一半，而苏军扼守着另一半，只有经过残酷的血腥肉搏厮杀后才能决定这一阵地为谁所有。
为了将每座残破的住屋或工厂全改为据点，苏军都把各层楼房相互隔断。这样，德军即使攻占了底层，也还得再进行攻夺上层和屋顶以及地下室的战斗。这是使德军无法逃生，陷入到处都是火力网的迷魂阵。正是依靠这些办法，苏军迫使数量上占优势的德军进攻部队每前进一步都要付出惨重的代价。尽管德军有经过专门训练以实施巷战的部队，但苏军在这场惊心动魄的肉搏中还是掌握着主动权，并使德军死亡人数大大超过苏军。
10月5日，斯大林命令叶廖缅科无论在任何情况下都要坚守这座城市，把每幢楼房，每条街道作为堡垒，抗击德军进攻。每一座房屋，只要有苏联军人，哪怕只有一个人，也要成为敌人攻不破的堡垒。于是，苏军在连、营里，除已有的班之外，又组织了新的战术单位——突击小组。
10月4日～8日，德军经过多次疯狂的冲锋，才向该工厂推进了300～400米。德军每向前一步，就要为此付出沉重的代价。苏军不怕牺牲，誓死保卫国土的战斗令德军却步，巨大的伤亡也令德军兵力趋于枯竭。
一位德军上尉在信中写道：“我是我们全团惟一活着的军官。……我营经过这次冲击后只剩下1名军官、3名军士、29名列兵。”
10月14日，希特勒向德军部队下达命令：除了斯大林格勒方向以外，在整个苏德战线上转入战略防御。
在斯大林格勒方面，德军开始了第三次攻击，企图通过此次攻击取得决定性胜利。德军出动2000多架次飞机对工厂区进行狂轰滥炸。经过长达5个小时的炮击之后，德军又出动了5个师的兵力和150多辆坦克向拖拉机厂进行猛烈的攻击。数以千计的德国飞机在空中嗡嗡地盘旋着，到处响着炸弹和炮弹的爆炸声。苏军的战士们冒着随时都可能牺牲的危险，走到大炮旁，射出一排排炮弹进行反击。面对德军的包围，苏军指挥官依然沉着镇定。许多人被埋在土里，他们的耳朵被巨大的炮声震聋。轰炸和扫射还在继续。四周一片火海，尘土飞扬。人员在伤亡，装备在毁坏，但苏军仍在不停地射击、射击，进行着顽强的抵抗。这一天是整个斯大林格勒战役中最为血腥，最为残酷的一天。仅朱可夫的第62集团军的指挥部里就有61人丧生。
4个小时的激烈战斗过后，德军突破苏军的防御，随即以强大的坦克群搭载步兵投入突破口，大批的德军涌向了苏军阵地。第2天的战斗仍旧残酷而激烈。到傍晚，德军终于占领了拖拉机厂，并从这个地区突进到伏尔加河。苏军第62集团军一部分兵力被切断在雷诺克，失去与集团军主力的联系，被压至伏尔加河河岸一带。但这部分兵力却英勇顽强地一直战斗到苏军反攻，其他被包围的小部队也英勇不屈，殊死抵抗。他们发给指挥部的最后电报是：“我们被包围了，弹药和水都没有，宁死不投降！”“为国捐躯，但绝不投降！”
在“红十月”工厂一带，德军企图从中央地段突破，打到伏尔加河畔，但遇到了苏军在古尔特耶夫的西伯利亚师。西伯利亚师勇猛过人，纪律严明，武器精良，训练有素，惯于在困难的环境中作战。他们在工厂内外的坚硬的土地上筑成交通壕、掩蔽部和火力点，形成一个完整的工事网。当德军炮声停止开始冲锋时，西伯利亚师便冲出阵地，与敌展开厮杀，德军不能前进一步。战斗在进行着，德军对“红十月”工厂的进攻一直持续到10月底，他们向西伯利亚部队发动了170次进攻。但西伯利亚师得到伏尔加河对岸苏军炮兵的援助，可以从防御工事网内观察德军的情况，给德军造成了重创。
至此，德军的大规模攻势已如强弩之末，加上冬季的到来，而陷于停滞。至11月初，德军始终未能完全占领斯大林格勒。眼看天气又要冷下来，希特勒要求几乎没有多少越冬物资储备的保卢斯在冬天来临之前拿下斯大林格勒。11月11日，保卢斯在斯大林格勒城区内，向苏军据守的阵地发动了最后一次大规模进攻。经过激烈的战斗，德军在预备队的支援下，占领了“街垒”工厂，向前推进了300～400米，进至伏尔加河岸。但此时的德军部队已疲惫不堪，保卢斯被迫于次日停止了进攻，修整部队。苏第62集团军又一次被分割成为三部分，仍坚守阵地牵制着德军。苏军就是这样坚守着，直到苏军转入反攻。
■ 苏军的反击
苏军自从9月底准备大反攻以来，至11月中旬，在斯大林格勒地域的苏军计3个方面军143个师110．6万人，计15500门火炮和迫击炮，1463辆坦克和强击火炮，1350架飞机。
11月13日，斯大林批准了朱可夫和华西列夫斯基拟订的反攻计划，并亲自给这个计划取代号为“乌兰”。该计划规定：西南方面军由图瓦京中将指挥，其任务是从顿河西岸的谢拉莫菲维奇和克利茨卡亚地域桥头阵地实施主攻，突破罗马尼亚第三集团军防御，直插顿河东岸的卡拉奇；斯大林格勒方面军由叶廖缅科上将指挥，其任务是从斯大林格勒南面向西北突击，突破罗马尼亚第四集团军防御，与西南方面军在卡拉奇会师，完成对德第六集团军的合围；顿河方面军由罗科索夫斯基中将指挥，其任务是从斯大林格勒西北面向东南实施辅助性突击，掩护西南方面军的主攻。反攻日期定为：西南方面军和顿河方面军为11月19日，斯大林格勒方面军为11月20日。
苏军的反击始于1942年11月19日，在斯大林格勒战役开始后的三个月之后，这是苏军在第二次世界大战期间实施的第一次经过充分准备的战役，它是一个巨大的成功，苏军攻击了由罗马尼亚第3，第4集团军负责防守的德军侧翼，苏军从俘虏那里获知，罗马尼亚军队士气最低，装备最差。
在苏军大量火炮和坦克突击纵队突如其来的压力下，罗马尼亚军队的战线在几小时之内就崩溃了，两天后，他们就投降了。德军急忙赶去迎击突进的苏军，但已经太迟了，四天之内，苏军钳形攻势的两支先头部队就在斯大林格勒的西面大约100公里处会师了，从而切断了德第6集团军的后方交通线。至30日，苏军3个方面军将德第6集团军的第4、第8、第11、第51步兵军和第14装甲军计5个军22个师，约27万人合围在斯大林格勒1500平方公里的地域内。但是第6集团军保卢斯并未去突围，而是被希特勒命令原地待命，不论付出多大的代价都要守住。
11月21日，希特勒下令将曼施坦因元帅的第11集团军扩建为顿河集团军群，由曼施坦因元帅任司令，并把保卢斯第6集团军、霍特第4装甲集团军和罗马尼亚第3、第4集团军交与他指挥。希特勒在下达的命令中指出，顿河集团军群当前的任务，就是使苏军的攻势停顿，并夺回德军原已失去的阵地。曼施坦因并不同意这个决策。但希特勒要求第6集团军必须留在斯大林格勒，而曼施坦因必须杀开一条血路，打到斯大林格勒。