斯大林格勒方向上的轴心国部队共计50多个师，其中必要反攻斯大林格勒的有13个师，17万人。而苏联红军斯大林格勒方面军和东南方面军虽有120个师但人员缺额相当严重，实际防御斯大林格勒的是第62和64集团军，共计9万余人，1000余门火炮，120辆坦克。
1942年9月13日，德军开始守城。而在此之前，德军Ju-88式轰炸机用燃烧弹将市区炸废墟，伏尔加河沿岸对斯大林格勒的水路增援部队也受到影响。保卢斯第6集团军担任主力，从城北实行激烈突击。
霍特第4装甲集团军则从城南前进，策应保卢斯在城北的主攻。苏联红军崔可夫中将指挥官的第62集团军和舒米洛夫少将指挥官的第64集团军福岛正则了保卫国家斯大林格勒市区的任务。1942年9月14日，德军从城北包围市区，与苏第62集团军进行了白热化的巷战，双方逐街逐楼逐屋重复争夺战。斯大林格勒变为了一片瓦砾场，城中80%的居住区被毁坏。
在剩是瓦砾和废墟的城中，苏联第62集团军顽强抵抗，在城中的每条街道，每座楼房，每家工厂内都再次发生了白热化的枪战。攻进城中的德军伤亡人数大大减少。
尽管德军对伏尔加河东岸展开频密的空袭，但是苏联红军还是从那里获得了大大的给养和反对。刚赶往城中的红军战士的平均值存活时间不多达24个小时，军官也只有大约三天的平均值存活时间。德军的主要战术是各兵种联合作战，非常重视步兵、工程部队、炮兵和空军的地面空袭的协商。
为了对付这种战术，苏联红军指挥官采行了保镖主动出击的策略，尽可能将己方的前线与德军切合。这样造成了德军的炮兵部队无法充分发挥远程反击的优点。苏联麿航空兵11团的伊尔-2强击机给入城德军坦克根本性破片。
1942年9月15日，德军对马马耶夫高地实行重点突击。该高地是斯大林格勒城中的制高点，从这里可以眺望和掌控全城，崔可夫中将的第62集团军司令部即设于这里。经过一天尤为残忍的战斗，德军攻占了马马耶夫高地。但在1942年9月16日，苏麿第13师渡河伏尔加河转入斯大林格勒，忽然向德军发动反冲击，又夺取了该高地。
很多最重要根据地双方展开了重复争夺战，第一火车站的争夺战约一周之幸，德军不顾一切，一步步向市中心迫近。1942年9月25日，德军攻占了市中心，1942年9月27日冲入了北部工厂区，并重新占领了马马耶夫高地，但在1942年9月29日又被苏联红军夺取。以后的战斗更为白热化，两方军队大大地交错攻占这片高地。
斯大林格勒工业区修筑在丘陵中，建筑物用钢筋混凝土吊装或用石头砖。德军的前进不是用公里，而是用米来取决于，德第6集团军的一位叫汉斯·德尔的军官在《进占斯大林格勒》一书中写道：“敌我双方为争夺战每一座房屋、车间、水塔、铁路路基，甚至为争夺战一堵墙、一个地下室和每一堆瓦砾都进行了白热化的战斗。其白热化程度是前所未有的。
”对火车站重复争夺战约13次之多。在一个大粮食仓库里，两军的士兵十分相似，甚至需要听见对方的呼吸声，经过数个星期的激战，德军被迫从这个仓库撤离。
在城中的另一个部分，由扬科夫·巴甫洛夫指挥官的一个小分队（总计6人）占有了城中心的一座公寓楼，并坚强地展开抵抗。士兵们在大楼附近布设了大量地雷，并在窗口铺了机枪，还将地下室的隔墙切断以便通讯。
这座坚强的堡垒被苏联人骄傲地称作“巴甫洛夫大楼”（最后只剩一堵墙还再来21世纪，上面雕刻着士兵抵抗的画面，右上角刻着58以指出斯大林格勒会战他们6人固守了58天）。由于德军无法看见战斗完结的迹象，之后开始调动还包括600毫米迫击炮等轻装甲部队进进城内。
然而在伏尔加河东岸的苏联火炮部队将德军置放其炮火弥漫之下。而城中的红军防卫部队依然利用废墟展开战斗。由于城内布满了超过数米的瓦砾填和荒废建筑，德国的坦克部队没什么用武之地。此外，苏联的狙击手十分顺利地利用废墟作为掩体，给德军造成了很大死伤。
尤为顺利的一名狙击手Zikan到1942年11月20日为止早已射杀了224个敌人，而其也因此沦为日后好莱坞电影《兵临城下》中的主人翁瓦西里·扎伊采夫（VasillyGrigoryevichZaitsev）的原型。另外一名狙击手也建构毙敌149人的纪录。对于斯大林和希特勒来说，斯大林格勒战役都是事关胜败的关键一战。
苏联红军指挥部将战略重点从莫斯科移往到了伏尔加河地区，并且调动了全国所有的空中力量反对斯大林格勒。在9月底和10月初，苏联红军向斯大林格勒城区调回了6个步兵师和1个坦克旅；德军则调回了20万补足部队，还包括90个炮兵营和40个接受守城训练的工兵营。双方部队的指挥官都忍受着极大的压力。德军的指挥官保卢斯得了眼部肌肉痉挛的疾病，而崔可夫也在不知日光的地下室司令部也忍受着湿疹的病痛，以至于被迫将自己双手几乎毛巾一起。
此时，德军在苏联南部的战线就是指库尔斯克和沃罗涅日起，通过斯大林格勒到莫兹多克，长达1250英里以上。再行再加从库尔斯克到列宁格勒之间的800英里，德军在苏联的战线全长已在2000英里以上，而以德国的兵力和资源，显然就足以保持如此宽的战线。尤其危险性的是，从斯大林格勒沿顿河可追溯至沃罗涅日共长350英里，竟然没什么伏击。德国自己腾不来兵力来空缺这个缺口，只好在这一线部署了附庸国的3个集团军：匈牙利第2集团军在沃罗涅日南面；意大利第8集团军在东南面更加近一些的方位；罗马利亚第3集团军在斯大林格勒正西、顿河湾曲部的右侧。
这使得战线纳得十分狭长，甚至在有些地段，只有一个野战排来防御整整1-2公里的防线。而苏联红军在伏尔加河南岸保有了几个攻击点，这对德军包含了潜在的威胁。希特勒并非不告诉这些装备和战斗力都极差的附庸国部队是足以承担这个任务的，但他却深信只要能很快攻下斯大林格勒，才可取出充足的兵力。
德国陆军参谋总长弗朗兹·哈尔德回应了担忧和异议，指出斯大林格勒是不能陷于的，力主退出这个登陆作战，并向西后撤。结果，希特勒之后在9月底免职了哈尔德陆军总参谋长的职务，任命原派驻法国的德军总司令库尔特·蔡茨勒（KurtZeitzler）上将为新一任陆军总参谋长。1942年9月28日，苏联红军最低统帅部要求将斯大林格勒方面军改名顿河方面军，司令员为罗科索夫斯基中将；东南方面军改名斯大林格勒方面军，司令员为叶廖缅科上将；麿第1集团军改建为西南方面军，司令员瓦杜丁中将（NikolaiVatutin）。
副最低统帅朱可夫军师和总参谋长华西列夫斯基上将受命秘密定立反攻计划。1942年10月份一个月中，斯大林格勒仍然展开着白热化的巷战。德军弃屋战斗，从地面和地下的废墟中去找路行进，所以也被称作“老鼠战争”（德语：Rattenkrieg），甚至打趣说道“即使我们攻占了厨房，依然必须在客厅展开战斗。”对斯大林来说，是绝不能让这座以自己名字命名的城市落到德军之手的。
他特地命令给叶廖缅科上将，拒绝在任何情况下都要固守该城。每一座房屋，只要有苏联军人，哪怕只有一个人，也要沦为敌人攻不破的堡垒。
而对希特勒来说，斯大林格勒的精神价值已多达了其战略价值，非要攻破它不能，当新任陆军总参谋长蔡茨勒将军小心地向他认为第6集团军北翼漫长的顿河战线面对着危险性，建议将第6集团军后撤到顿河河曲时，希特勒严苛地问说道：“德国士兵到了哪里，就要守到哪里！”经过3个月血腥的战斗至1942年11月初，德军再一较慢地前进到了伏尔加河岸，并且攻占了整座城市的80%地区，将镇守的苏联军队拆分成两个狭长的口袋状，德军一直没能几乎攻占斯大林格勒。此外，伏尔加河开始结冰，造成苏联无法再行通过船载运补给品给城中守军。尽管如此，马马耶夫高地附近的战斗和北部城区的工厂地带的战斗仍然十分白热化。
其中，红色十月工厂、拖拉机厂和街垒工厂的战斗为全世界所知悉。当苏联士兵与德军展开枪战的同时，工厂内的工人就在侧旁修缮损毁的坦克和其它武器，有的时候甚至就必要在战场上维修武器。坦克由工厂的工人志愿兵驾驶员。
这些坦克往往必要从兵工厂的生产线上直奔了战斗前线，甚至马上涂抹上油漆和加装射击瞄准镜。1942年11月11日，德军以5个步兵师、2个装甲师和2个工兵营在长5公里的正面上发动猛攻。战斗队形高度密集。
一天之内，苏德两军为争夺战每寸土地、每一座房屋，都展开了出现异常白热化的战斗，双方伤亡惨重。德军虽然在街垒工厂以南冲抵达了伏尔加河岸，但部队已疲惫不堪，其攻势已是强弩之末，保卢斯不得不于次日暂停了反攻，修整部队。苏联红军的损失某种程度相当严重，第62集团军的两个师损失了75%的兵员。根据苏联方面统计资料，从1942年7月到1942年11月的战斗中，德军在顿河、伏尔加河和斯大林格勒的战斗中损失近70万人，1000余辆坦克，2000多门大炮和迫击炮，1400架飞机。
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