9月5日拂晓，朱可夫将3个新锐集团军投入反击，但是准备的时间太短了，结果没能达到预期的目标。但是斯大林不甘心，当晚，斯大林命令朱可夫继续冲击。1942年9月6日，苏联红军再次发动进攻，再次失败。1942年9月10日，苏联红军试图从北面实施突击，恢复同第62集团军的联系，又遭到失败。苏军一败再败，迫不得已，在9月12日，只得撤至市区围廓，外围防御地带已全部丧失，德军突破斯大林格勒城防，把守卫城市的第62集团军同战场上的其他部队分隔开来。
在高加索方向，利斯特A集团军群以高速前进。1942年8月9日，克莱斯特第1装甲集团军占领了迈柯普油田。1942年8月22日，克莱斯特的士兵在海拔18526英尺的厄尔鲁斯山峰上升起了第三帝国的万字旗。1942年8月25日，克莱斯特部又攻占了莫兹多克，距格罗兹尼四周的苏联最大产油中心只有50英里，距里海也只有100英里。1942年8月31日，希特勒要求A集团军群司令利斯特元帅倾其所有的力量向格罗兹尼作最后进攻，尽快拿下油田。但德军冲击力迅速下降，进展缓慢。希特勒认为是利斯特不卖力，于是调任克莱斯特，克莱斯特上任后，虽然竭尽全力，也无法再前进一步。因为冲击力丧失的主要原因是缺乏燃油。德军的机械化部队，是需要喝油的。
1942年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6集团军司令保卢斯上将，命令他们于1942年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。
大林格勒方向上的轴心国部队共有50多个师，其中直接进攻斯大林格勒的有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个师但人员缺额严重，实际防守斯大林格勒的是第62和64集团军，共有9万余人，1000余门火炮，120辆坦克。1942年9月13日，德军开始攻城。而在此之前，德军Ju-88式轰炸机用*将市区炸成废墟，伏尔加河沿岸对斯大林格勒的水路增援也受到影响。保卢斯第6集团军担当主力，从城北实施猛烈突击。霍特第4装甲集团军则从城南推进，策应保卢斯在城北的主攻。
1942年9月14日，德军从城北突入市区，与苏第62集团军展开了激烈的巷战，双方逐街逐楼逐屋反复争夺。斯大林格勒变成了一片瓦砾场，城中80%的居住区被摧毁。在满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，每家工厂内都发生了激烈的枪战。尽管德军对伏尔加河东岸进行频繁的轰炸，但是苏联红军还是从那里得到了不断的补给和支持。刚刚赶赴城中的红军战士的平均存活时间不超过24个小时，军官也只有约三天的平均存活时间。苏联红军纯粹是在拿人命在抵抗。
1942年9月15日，德军对马马耶夫高地实施重点突击。该高地是斯大林格勒城中的制高点，从这里可以俯瞰和控制全城，崔可夫中将的第62集团军司令部即设在这里。经过一天最为残酷的战斗，德军占领了马马耶夫高地。但在1942年9月16日，苏近卫第13师渡过伏尔加河进入斯大林格勒，突然向德军发起反冲击，又夺回了该高地。很多重要据点双方进行了反复争夺，第一火车站的争夺战达一周之久，德军不顾一切，一步步向市中心逼近。
1942年9月25日，德军占领了市中心，1942年9月27日冲进了北部工厂区，并重新占领了马马耶夫高地，但在1942年9月29日又被苏联红军夺回。德军的推进不是用公里，而是用米来衡量，德第6集团军的一位叫汉斯·德尔的军官在《进军斯大林格勒》一书中写到：“敌我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。其激烈程度是前所未有的。”对火车站反复争夺达13次之多。
由于德军无法看到战斗结束的迹象，便开始调遣包括600毫米迫击炮等重装甲部队开入城内。但是苏联守军依然利用随处可见的废墟来抵挡德国人的入侵。在废墟中，苏联的狙击手成为了攻城德军的梦魇，给德军造成了极大伤亡。最为成功的一名狙击手Zikan到1942年11月20日为止已经击毙了224个敌人，而其也因此成为日后好莱坞电影《兵临城下》中的主人翁瓦西里·扎伊采夫的原型。另外一名狙击手也创造毙敌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成败的关键一战。苏联红军指挥部将战略重点从莫斯科转移到了伏尔加河地区，并且调动了全国所有的空中力量支持斯大林格勒。在9月底和10月初，苏联红军向斯大林格勒城区调去了6个步兵师和1个坦克旅；德军则调去了20万补充部队，包括90个炮兵营和40个受过攻城训练的工兵营。而双方部队的指挥官都承受着巨大的压力。德军的指挥官保卢斯得了眼部肌肉痉挛的疾病，而崔可夫也在不见日光的地下室司令部也忍受着湿疹的病痛，以至于不得不将自己双手完全包扎起来。
1942年9月28日，苏联红军最高统帅部决定将斯大林格勒方面军改称顿河方面军，司令员为罗科索夫斯基中将；东南方面军改称斯大林格勒方面军，司令员为叶廖缅科上将；近卫第1集团军扩建为西南方面军，司令员瓦杜丁中将（NikolaiVatutin）。副最高统帅朱可夫大将和总参谋长华西列夫斯基上将奉命秘密拟制反攻计划。
1942年10月份一个月中，斯大林格勒一直进行着激烈的巷战。德军逐屋战斗，从地面和地下的废墟中找路前进，所以也被称为“老鼠战争”，甚至开玩笑说“即使我们占领了厨房，仍然需要在客厅进行战斗。”对斯大林来说，是决不能让这座以自己名字命名的城市落入德军之手的。他亲自下令给叶廖缅科上将，要求在任何情况下都要坚守该城。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。而对希特勒来说，斯大林格勒的精神价值已超过了其战略价值，非要攻陷它不可，当新任陆军总参谋长蔡茨勒将军小心地向他指出第6集团军北翼漫长的顿河战线面临着危险，建议将第6集团军撤到顿河河曲时，希特勒严厉地回答说：“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，德军终于缓慢地推进到了伏尔加河岸，并且占领了整座城市的80%地区，将留守的苏联军队分割成两个狭长的口袋状，但是德军始终未能完全占领斯大林格勒。1942年11月11日，德军以5个步兵师、2个装甲师和2个工兵营在宽5公里的正面上发起强攻。战斗队形高度密集。一天之内，苏德两军为争夺每寸土地、每一座房屋，都进行了异常激烈的战斗，双方伤亡惨重。德军虽然在街垒工厂以南冲到达了伏尔加河岸，但部队已疲惫不堪，其攻势已成强弩之末，保卢斯被迫于次日停止了进攻，修整部队。苏联红军的损失同样严重，第62集团军的两个师损失了75%的兵员。
苏联红军苏最高统帅部自9月底开始准备大反攻，负责斯大林格勒地区总体战略的朱可夫开始向斯大林格勒秘密大规模集结兵力。至1942年11月中旬，在斯大林格勒地域城外的南北两侧的苏联红军计3个方面军10个诸兵种合成集团军，1个坦克集团军，4个空军集团军和若干个独立军、坦克军和旅，共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。当面的德军B集团军群共有80个师又3个旅，约100万人，10290门火炮，675辆坦克，1216架飞机。
朱可夫的策略是将德军继续牵制在城内，然后通过打击德军虚弱的外侧来将德军包围在斯大林格勒市区。1942年11月13日，斯大林批准了朱可夫和华西列夫斯基拟制的反攻计划，并亲自给这个计划取代号为“天王星行动”，这与针对德军中央军群的“火星行动”相呼应。该计划规定：西南方面军由瓦杜丁中将指挥，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，突破罗马利亚第3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，突破罗马利亚第4集团军防御，与西南方面军在卡拉奇会师，完成对德第6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1942年11月19日，斯大林格勒方面军为1942年11月20日。（未完待续）