7月28日，斯大林发布第227号命令："现在是结束退却的时候了，寸步不退！这就是我们当前的主要号召。必须顽强地保卫每一个阵地，每一米苏联领土，直到最后一滴血。"斯大林还下令建立了阻截队，放在不坚定的部队后面，把惊慌失措者和胆小鬼就地枪毙。

7月31日，希特勒又将德国第4坦克集团军从齐姆良斯卡地区调来，向科杰利尼夫斯基方向进攻，配合德国第6集团军从顿河西岸发动攻势。8月5~10日，在阿布加涅罗沃--普罗道维托耶一线，崔可夫中将指挥的苏军突击集群与德国第4坦克军展开激战，德军伤亡惨重，被迫退回外围防线，转入防御。与此同时，德军第6集团军与苏军第62集团军也在顿河西岸展开了7天的激战，苏军撤回到顿河东岸。

8月15日，德军又对苏联第4坦克军的防地发动进攻。8月16日，苏军少尉克切特科夫率领16名战士守卫一个高地，与德军鏖战一昼夜，子弹打光了，最后剩下的4名战士把手榴弹绑在身上，视死如归地扑向德军的坦克！苏军主力退到顿河东岸后，在西岸守住了新的防线。

8月23~24日，德军对斯大林格勒进行了疯狂的昼夜轮番轰炸。城市住宅、工厂、医院、学校、遭到了严重破坏，成千上万的老百姓惨遭杀害，市区一片废墟、硝烟弥漫。伏尔加河岸的油库也中弹起火，燃起一片火海。

9月13日，德军突入斯大林格勒市区，向苏军第62集团军防守的马马耶夫岗和火车站发起攻势。9月14日，德军投入6个师，在几百架飞机支援下，突破苏军防线，占领了火车站，将苏军第62集团军逼到伏尔加河岸。

市区争夺战开始之后，形势异常危机，苏军陆续增调来10个步兵师、2个坦克军和8个坦克旅，与德军展开殊死搏斗。争夺市中心的战斗达到了白热化。仅9月14~15日间，就有2000多名德军在市区被击毙。9月16日，苏军夺回了马马耶夫岗。火车站的争夺战持续了一周之久，前后13次易手。

在战斗最紧张的日子里，双方在每一条街、每一栋楼、每一层楼面和每一个房间进行激烈的争夺战。战斗中，曾有4名苏军反坦克手，用仅有的2支反坦克枪与30辆德军坦克搏斗，1天之内摧毁德军坦克15辆，未让敌人越过自己的阵地。一位身负重伤的苏军电话兵用牙齿咬住被打断了的电话线，恢复了战地通讯。

"红十月"冶金厂的工人在距离德军只有几百米的危急情况下，依然一面手执武器阻击敌人，一面冒着炮火坚持生产。在战斗最激烈的9月份，他们制造了200辆坦克、150辆牵引车。工人们常常驾驶着刚装配好的坦克，直接冲出厂门，投入战斗。德军第94师第267团团长威廉·霍夫曼在日记中写道："俄国人不是人，而是某种钢铁铸成的东西；他们不知疲劳，不怕炮火。"

9月底，战斗重心转移到市区北部的工厂区。德军又增调来20万兵力，90个炮兵营和40个攻城工兵营。苏军也有6个步兵师和1个坦克旅渡过伏尔加河，调进了斯大林格勒市区。双方随即展开了争夺拖拉机厂、"红十月"和"街垒"的大血战。10月4日，德军占领了"红十月"和"街垒"工厂的住宅区。

10月15日，德军5个师、2000对架次飞机猛攻拖拉机厂。苏军2个师被分割成许多孤立的战斗队，继续拼死战斗，宁死不屈。期间，苏联战士潘尼卡克独自阻击几辆德军坦克，用光了所有的手榴弹，身边只剩下两瓶液体燃料。当他抡起燃烧瓶，正要投向最近的一辆坦克时，一颗子弹打穿了高举在他头上的燃烧瓶，烈火顿时烧遍了他的全身。但是，他没有去扑打身上的火焰，而是跃出战壕，冲向德军坦克，对准发动机的外壳打破了第2个燃烧瓶。火舌和浓烟吞没了英雄和德军的坦克。当晚，德军付出惨重代价后，占领了拖拉机厂。

为了减轻德军对斯大林格勒市区的压力，苏联顿河方面军于10月19日从北部转入进攻，苏联第64集团军于10月25日从南面对德军侧翼实施了反突击。11月初，德军多次妄图攻占市区的防御点，都未能得逞。

战斗到1942年11月初，德军方面在斯大林格勒地区仍有80个师，总计100万人，火炮10290门、坦克675辆、飞机1216架。其中主力部队是盘踞在斯大林格勒市区和西部外围一带的德国第6集团军和第4坦克集团军。罗马尼亚第4集团军担任南翼掩护，罗马尼亚第3集团军、意大利第8集团军、匈牙利第2集团军和德国第2集团军负责掩护西北翼。