還有一個讓德國人非常頭疼的問題便是從斯大林格勒沿頓河上溯至沃羅涅什共長560公里，德軍沒有兵力來掩護，只有派了一些裝備和戰鬥力都極差的附庸國部隊：匈牙利第1集團軍在沃羅涅什南面；意大利第8集團軍在東南面更遠一些的位置；羅馬尼亞第3集團軍在斯大林格勒正西、頓河彎曲部的右側。當然，希特勒是知道這些附庸國部隊是根本不能擔當此重任的。但他也有自己的想法，深信只要能迅速攻克斯大林格勒，就能迅速抽調出足夠的兵力。哈爾德卻不同意他的看法，力主放棄攻打斯大林格勒，並向西撤退。希特勒爲此免去了哈爾德陸軍總參謀長的職務，原駐法國的德軍總司令庫特凡·蔡茨勒上將被任命爲陸軍總參謀長。
雖然朱可夫被任命爲斯大林格勒戰役的指揮官，但前線的形勢還是不容樂觀。到9月10日，朱可夫等蘇軍將領得出這樣的結論：“以現有的兵力和部署是不可能趕走德軍的。”9月12日，朱可夫奉命飛回莫斯科，與早先回莫斯科的總參謀長華西列夫斯基一起向斯大林彙報了前線的形勢，並與斯大林一起到總參謀部去商討作戰方案。
華西列夫斯基總參謀長早已做了安排，責成一批參謀人員極其秘密地制定了斯大林格勒反攻的初步方案。這兩員大將根據參謀人員提供的初步方案和他們自己在前線親眼所見，對局勢進行了仔細的分析和研究。
他倆詳細分析了敵情，認爲德第6集團軍和第4坦克集團軍消耗嚴重，已無力奪取斯大林格勒。僕從國匈、羅以及意大利的軍隊裝備差，經驗少，士兵和許多軍官都不願意被派到遙遠的俄羅斯土地上爲外國干涉者送死。
與此相反，幾百萬蘇軍指戰員是爲了保衛自己的祖國和家園而戰。在一年多的艱苦戰鬥中，他們經受了鍛鍊，學會了很多東西，成長壯大起來了。同時，蘇聯的軍工生產已有很大發展。最高統帥部正在組建擁有新武器的戰略預備隊，到11月份蘇軍將增加強大的機械化部隊和坦克部隊。那時他們將能完成更重大的任務。
鑑於以上分析，朱可夫和華西列夫斯基將軍認爲，蘇軍的行動計劃應該是：第一，繼續以積極防禦疲憊敵人；第二，着手準備反攻，在斯大林格勒地區圍殲法西斯軍隊。9月13日晚，朱可夫和華西列夫斯基又向斯大林彙報，呈上他們擬製的“斯大林格勒地區反攻計劃的初步草案”。
草案大綱中有三個要點：第一，斯大林格勒的蘇軍寸土不讓，進行城市爭奪戰，消耗和疲憊德軍。第二，在8月下旬蘇軍奪取的頓河右岸屯兵場謝臘菲莫維奇秘密組建新的方面軍，其中有以T－34型坦克裝備起來的坦克集團軍，以坦克集團軍爲突擊力量，突然出擊，突破敵軍防禦，迅猛南下，直插德軍第6集團軍的後方，將其全部圍殲在斯大林格勒城下，徹底改變南線的戰略形勢。第三，由於到11月蘇軍纔能有用T－34型坦克裝備的坦克集團軍，反攻須在11月中旬發起。
他們簡單地交換了意見之後，斯大林說：“對計劃需要再考慮一下，而且要計算一下我方資源。現在的主要任務是守住斯大林格勒和不讓敵人向卡梅申方向推進。”這時，東南方面軍司令員葉廖緬科從前線給斯大林打來電話，說德軍正向市區方向調動坦克部隊，第二天必然有新的突擊。斯大林當即命令向市區增派一個精銳師，並命令空軍立即採取行動，地面部隊第二天拂曉就要發起衝擊，牽制住敵人。
9月12日，希特勒從東普魯士飛抵烏克蘭的文尼察，召見了Ｂ集團軍羣司令魏克斯上將和第六集團軍司令保盧斯上將，命令他們於9月13日對斯大林格勒發起新的進攻，並決定從高加索方向抽調9個師加強給第6集團軍。希特勒強調，要儘快拿下斯大林格勒。9月13日，德軍又對斯大林格勒發動新的進攻。從9月13日開始，德軍爲攻打斯大林格勒市區而拼死戰鬥。
■喋血巷戰
德軍攻打斯大林格勒市區的戰鬥從9月13日開始，到11月18日結束，歷時兩個月。
德軍用在斯大林格勒方向上的兵力有50多個師，其中用來直接進攻市區的有13個師，共17萬人。他們擁有500輛坦克、1700門大炮和迫擊炮。
蘇軍斯大林格勒方面軍和東南方面軍雖然合起來有120個師，但是人員編制嚴重缺額，許多師只有編制人數的20%到25%，有的師僅有800人。實際上負責防守市區和西南一帶的主力第62和64集團軍總共只有9萬人、1000門大炮和迫擊炮、120輛坦克。在市區爭奪戰中，德軍在兵力和武器上是佔優勢的。
9月13日，對交戰雙方來說，都是十分艱難的日子。我們從第62集團軍收到的戰鬥報告中可見戰鬥的激烈程度。
7時30分：敵人進入學院大街。
7時40分：第30機械化旅第1營與主力失去聯繫。
7時50分：馬馬耶夫崗地段和火車站附近展開戰鬥。
8時：火車站落入敵手。
8時40分：火車站又在我軍手中。
9時40分：敵人又佔領火車站。
10時40分：敵人進入普希金大街，離集團軍指揮所600米。
11時：敵2個團在30輛坦克的支援下突進專家大廈。
13時20分：火車站又回到我軍手中。
9月14日，德軍展開了24小時不間斷衝鋒。德軍進攻市中心的馬馬耶夫高地，在不到4公里寬的地段上集中了6個師，並有數百架飛機從空中支援。德軍很清楚，佔領馬馬耶夫高地，就可以控制整個城市、廠區和伏爾加河。
14日和15日夜，蘇軍近衛軍步兵冒着敵機轟炸，乘坐汽艇、駁船渡過伏爾加河增援市區戰鬥。16日和17日，德軍以50至60架飛機爲一批，對蘇軍進行密集轟炸突擊，成噸重的炮彈，203毫米口徑的炮彈，把整個地面炸翻了過來。9月17日，蘇軍又增調兵力給第62集團軍，德軍一度進到距蘇軍第62集團軍指揮所僅600米處。
蘇軍在斯大林格勒人民羣衆的支援和配合下，戰鬥意志無比堅強，只要德軍一向前推進，就要受到頑強的阻擊和付出沉重代價。在這場殊死的戰鬥中，值得一提的是蘇軍戰士爲保衛蘇聯的每一寸土地，表現出視死如歸、英勇頑強的英雄主義精神。
德軍每天從早到晚不斷衝擊，一直持續了13天，9月25日，佔領了市南和市中心的部分地區。27日，德軍又將蘇軍擠到伏爾加河岸邊。伏爾加河河面和所有渡口都處在德軍槍炮火力控制之下。斯大林格勒幾乎沒有一座建築物、工廠、住宅保持完整。
從9月27日～10月4日期間，雙方展開爭奪北部工廠區的血戰。在這期間的戰鬥更加激烈。蘇德雙方爲爭奪每一座房屋、車間、水塔、鐵路路基，甚至爲爭奪一堵牆、一個地下室和每一堆瓦礫都展開了激烈的戰鬥。蘇聯人，無論是士兵還是居民，在面對德軍的狂轟濫炸時，都非常鎮靜。被炸燬的工廠成了蘇聯人的抵抗中心。一些工廠就在炮火紛飛中修理坦克，拖拉機制造廠甚至在德軍逼近工廠廠門前，還在那裡努力製造新坦克和裝甲車。當工廠被炸無法生產時，工人們丟下殘存的機器，加入工人營，與正規部隊並肩投入反擊德軍侵略的戰鬥。
蘇軍在他們控制的戰場上設下特殊的“捕殺場”，即在某些房屋，甚至在整個地段、街區裡都密密佈下地雷。在每一個佈雷區外面都留出幾條進路，而德軍一旦闖入，就會遭到密集的火力射擊。在一座破碎的建築物裡，德國人控制着一半，而蘇軍扼守着另一半，只有經過殘酷的血腥肉搏廝殺後才能決定這一陣地爲誰所有。
爲了將每座殘破的住屋或工廠全改爲據點，蘇軍都把各層樓房相互隔斷。這樣，德軍即使攻佔了底層，也還得再進行攻奪上層和屋頂以及地下室的戰鬥。這是使德軍無法逃生，陷入到處都是火力網的迷魂陣。正是依靠這些辦法，蘇軍迫使數量上佔優勢的德軍進攻部隊每前進一步都要付出慘重的代價。儘管德軍有經過專門訓練以實施巷戰的部隊，但蘇軍在這場驚心動魄的肉搏中還是掌握着主動權，並使德軍死亡人數大大超過蘇軍。
10月5日，斯大林命令葉廖緬科無論在任何情況下都要堅守這座城市，把每幢樓房，每條街道作爲堡壘，抗擊德軍進攻。每一座房屋，只要有蘇聯軍人，哪怕只有一個人，也要成爲敵人攻不破的堡壘。於是，蘇軍在連、營裡，除已有的班之外，又組織了新的戰術單位——突擊小組。
10月4日～8日，德軍經過多次瘋狂的衝鋒，才向該工廠推進了300～400米。德軍每向前一步，就要爲此付出沉重的代價。蘇軍不怕犧牲，誓死保衛國土的戰鬥令德軍卻步，巨大的傷亡也令德軍兵力趨於枯竭。
一位德軍上尉在信中寫道：“我是我們全團惟一活着的軍官。……我營經過這次衝擊後只剩下1名軍官、3名軍士、29名列兵。”
10月14日，希特勒向德軍部隊下達命令：除了斯大林格勒方向以外，在整個蘇德戰線上轉入戰略防禦。
在斯大林格勒方面，德軍開始了第三次攻擊，企圖通過此次攻擊取得決定性勝利。德軍出動2000多架次飛機對工廠區進行狂轟濫炸。經過長達5個小時的炮擊之後，德軍又出動了5個師的兵力和150多輛坦克向拖拉機廠進行猛烈的攻擊。數以千計的德國飛機在空中嗡嗡地盤旋着，到處響着炸彈和炮彈的爆炸聲。蘇軍的戰士們冒着隨時都可能犧牲的危險，走到大炮旁，射出一排排炮彈進行反擊。面對德軍的包圍，蘇軍指揮官依然沉着鎮定。許多人被埋在土裡，他們的耳朵被巨大的炮聲震聾。轟炸和掃射還在繼續。四周一片火海，塵土飛揚。人員在傷亡，裝備在毀壞，但蘇軍仍在不停地射擊、射擊，進行着頑強的抵抗。這一天是整個斯大林格勒戰役中最爲血腥，最爲殘酷的一天。僅朱可夫的第62集團軍的指揮部裡就有61人喪生。
4個小時的激烈戰鬥過後，德軍突破蘇軍的防禦，隨即以強大的坦克羣搭載步兵投入突破口，大批的德軍涌向了蘇軍陣地。第2天的戰鬥仍舊殘酷而激烈。到傍晚，德軍終於佔領了拖拉機廠，並從這個地區突進到伏爾加河。蘇軍第62集團軍一部分兵力被切斷在雷諾克，失去與集團軍主力的聯繫，被壓至伏爾加河河岸一帶。但這部分兵力卻英勇頑強地一直戰鬥到蘇軍反攻，其他被包圍的小部隊也英勇不屈，殊死抵抗。他們發給指揮部的最後電報是：“我們被包圍了，彈藥和水都沒有，寧死不投降！”“爲國捐軀，但絕不投降！”
在“紅十月”工廠一帶，德軍企圖從中央地段突破，打到伏爾加河畔，但遇到了蘇軍在古爾特耶夫的西伯利亞師。西伯利亞師勇猛過人，紀律嚴明，武器精良，訓練有素，慣於在困難的環境中作戰。他們在工廠內外的堅硬的土地上築成交通壕、掩蔽部和火力點，形成一個完整的工事網。當德軍炮聲停止開始衝鋒時，西伯利亞師便衝出陣地，與敵展開廝殺，德軍不能前進一步。戰鬥在進行着，德軍對“紅十月”工廠的進攻一直持續到10月底，他們向西伯利亞部隊發動了170次進攻。但西伯利亞師得到伏爾加河對岸蘇軍炮兵的援助，可以從防禦工事網內觀察德軍的情況，給德軍造成了重創。
至此，德軍的大規模攻勢已如強弩之末，加上冬季的到來，而陷於停滯。至11月初，德軍始終未能完全佔領斯大林格勒。眼看天氣又要冷下來，希特勒要求幾乎沒有多少越冬物資儲備的保盧斯在冬天來臨之前拿下斯大林格勒。11月11日，保盧斯在斯大林格勒城區內，向蘇軍據守的陣地發動了最後一次大規模進攻。經過激烈的戰鬥，德軍在預備隊的支援下，佔領了“街壘”工廠，向前推進了300～400米，進至伏爾加河岸。但此時的德軍部隊已疲憊不堪，保盧斯被迫於次日停止了進攻，修整部隊。蘇第62集團軍又一次被分割成爲三部分，仍堅守陣地牽制着德軍。蘇軍就是這樣堅守着，直到蘇軍轉入反攻。
■蘇軍的反擊
蘇軍自從9月底準備大反攻以來，至11月中旬，在斯大林格勒地域的蘇軍計3個方面軍143個師110．6萬人，計15500門火炮和迫擊炮，1463輛坦克和強擊火炮，1350架飛機。
11月13日，斯大林批准了朱可夫和華西列夫斯基擬訂的反攻計劃，並親自給這個計劃取代號爲“烏蘭”。該計劃規定：西南方面軍由圖瓦京中將指揮，其任務是從頓河西岸的謝拉莫菲維奇和克利茨卡亞地域橋頭陣地實施主攻，突破羅馬尼亞第三集團軍防禦，直插頓河東岸的卡拉奇；斯大林格勒方面軍由葉廖緬科上將指揮，其任務是從斯大林格勒南面向西北突擊，突破羅馬尼亞第四集團軍防禦，與西南方面軍在卡拉奇會師，完成對德第六集團軍的合圍；頓河方面軍由羅科索夫斯基中將指揮，其任務是從斯大林格勒西北面向東南實施輔助性突擊，掩護西南方面軍的主攻。反攻日期定爲：西南方面軍和頓河方面軍爲11月19日，斯大林格勒方面軍爲11月20日。
蘇軍的反擊始於1942年11月19日，在斯大林格勒戰役開始後的三個月之後，這是蘇軍在第二次世界大戰期間實施的第一次經過充分準備的戰役，它是一個巨大的成功，蘇軍攻擊了由羅馬尼亞第3，第4集團軍負責防守的德軍側翼，蘇軍從俘虜那裡獲知，羅馬尼亞軍隊士氣最低，裝備最差。
在蘇軍大量火炮和坦克突擊縱隊突如其來的壓力下，羅馬尼亞軍隊的戰線在幾小時之內就崩潰了，兩天後，他們就投降了。德軍急忙趕去迎擊突進的蘇軍，但已經太遲了，四天之內，蘇軍鉗形攻勢的兩支先頭部隊就在斯大林格勒的西面大約100公里處會師了，從而切斷了德第6集團軍的後方交通線。至30日，蘇軍3個方面軍將德第6集團軍的第4、第8、第11、第51步兵軍和第14裝甲軍計5個軍22個師，約27萬人合圍在斯大林格勒1500平方公里的地域內。但是第6集團軍保盧斯並未去突圍，而是被希特勒命令原地待命，不論付出多大的代價都要守住。
11月21日，希特勒下令將曼施坦因元帥的第11集團軍擴建爲頓河集團軍羣，由曼施坦因元帥任司令，並把保盧斯第6集團軍、霍特第4裝甲集團軍和羅馬尼亞第3、第4集團軍交與他指揮。希特勒在下達的命令中指出，頓河集團軍羣當前的任務，就是使蘇軍的攻勢停頓，並奪回德軍原已失去的陣地。曼施坦因並不同意這個決策。但希特勒要求第6集團軍必須留在斯大林格勒，而曼施坦因必須殺開一條血路，打到斯大林格勒。