9月5日拂晓，朱可夫将3个新锐集团军投入反击。激烈的战斗持续到傍晚，苏近卫第一集团军才前进了2～4公里，而第二十四集团军几乎仍停留在原阵地。9月6日，苏军再次发起冲击，但是，这次冲击又一次被德军击退了。9月10日，苏军试图从北面实施突击，恢复同第六十二集团军的联系，又遭到失败。9月12日，斯大林召集朱可夫和华西列夫斯基开会，讨论斯大林格勒的局势，他们一致认为必须寻求另一种解决办法。
在高加索方向，利斯特A集团军群正以高速前进。8月9日，克莱斯特第一装甲集团军占领了梅柯普油田。8月22日，克莱斯特的士兵在海拔5600多米的厄尔鲁斯山峰上升起了第三帝国的万字旗。8月25日，克莱斯特部又攻占了莫兹多克，距格罗兹尼四周的前苏联最大产油中心只有80公里，距里海也只有160公里。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。
9月9日，希特勒免去了利斯特元帅的A集团军群司令的职务，由第一装甲集团军司令克莱斯特上将接任，第一装甲集团军司令则由麦肯森将军继任。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。
此时，德军在前苏联南部的战线是从库尔斯克和沃罗涅日起，通过斯大林格勒到莫兹多克，长达2000公里以上。再加上从库尔斯克到列宁格勒之间的1287公里，德军在前苏联的战线全长已在3200公里以上，而以德国的兵力和资源，根本就不足以维持如此长的战线。特别危险的是，从斯大林格勒沿顿河上溯至沃罗涅什共长563公里，竟毫无掩护。德国自己腾不出兵力来填补这个缺口，只得在这一线部署了附庸国的3个集团军：匈牙利第一集团军在沃罗涅什南面；意大利第八集团军在东南面更远一些的位置；罗马尼亚第三集团军在斯大林格勒正西、顿河湾曲部的右侧。
希特勒并非不知道这些装备和战斗力都极差的附庸国部队是不足以担负这个任务的，但他却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，认为斯大林格勒是不可陷入的，力主放弃这个作战，并向西撤退。希特勒当然不肯听从。结果，哈尔德被免去了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。
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个师加强给第六集团军。希特勒强调，要尽快拿下斯大林格勒。
9月13日，德军的2个集团军13个师，共17万兵力，得到5个受过专门巷战训练的工兵营的加强，在1700门火炮和500辆坦克的支援下开始攻城。保卢斯第六集团军担当主力，从城北实施猛烈突击。霍特第四装甲集团军则从城南推进，策应保卢斯在城北的主攻。
9月14日，德军进攻市中心的马马耶夫高地和1号火车站，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。在短短5小时内，火车站曾反复易手4次。德军曾一度占领了高地。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。
苏军近卫步兵于14日和15日夜，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，守城部队又与第六十二集团军配合夺回了马马耶夫高地。16日和17日，在马马耶夫高地和1号车站，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六十二集团军，德军一度进到距苏军第六十二集团军指挥所仅600米处。
市区争夺战达到了白热化的程度。市内的街道和广场都变成了激烈的战场，德军不顾伤亡，每天从早到晚连续冲击。苏军和斯大林格勒的市民顽强抗击，建筑物的废墟变成了堡垒。利用建筑群构成环形防御支撑点和抵抗的枢纽部，对每个街区、每幢楼房，甚至每层楼、每个房间、每个街垒都反复争夺，战斗空前激烈。德军每前进一步，都要付出巨大的代价。
德军连续攻击了13天，9月25日，占领了市南和市中心的部分地区，并前出到伏尔加河岸。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日起，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。其激烈程度是前所未有的，甚至第一次世界大战也不能与之相比。
9月28日，苏军最高统帅部将斯大林格勒方面军改称为顿河方面军，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，司令员叶廖缅科上将。两个方面军直接由最高统帅部指挥。同日，斯大林格勒方面军第五十七和第五十一集团军各组成一个支队，在空军援助下，在城市南郊展开局部进攻。虽然苏军占领了城南湖间阵地，但未改变德军兵力部署。
10月5日，斯大林命令叶廖缅科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，只要有前苏联的军人，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。
尽管炮火连天，弹片横飞，炮击和轰炸的喧嚣声此起彼伏，震耳欲聋，然而前苏联人，无论是士兵还是留下的居民，都毫不惊慌。斯大林制止工厂的撤退。结果，被炸毁的工厂成了他们的抵抗中心。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，而德军一旦闯入这些进路，就会遭到密集的火力射击。在德军坦克无法进入的瓦砾废墟场上，手持轻自动步枪的前苏联士兵正躲在地下隐蔽所里，他们耐心地用潜望镜警戒着，能射倒几十个行进中的德国士兵而不被发现。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博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，苏军把各层楼房都相互隔断。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，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。
9月底，苏军依然固守在伏尔加河西岸25公里长的阵地上。阵地伸入到这座被摧毁的城市半公里到两公里，由4万名士兵据守着。苏军虽然得到增援，但伤亡惨重，在数量上仍处于劣势。苏军集中在这25公里长的地带中部，扼守着市中心到城北拖拉机制造厂的12公里长的阵地。9月28日，德军已深入到城内西北部的工人住宅区，希特勒猖狂地叫嚣“很快就会拿下斯大林格勒”。
10月4日，苏军在拖拉机厂所在地发起一次反攻。这是为了抢在德军发动新攻势之前，以打乱其军事部署，在百米废墟上，苏军与德军展开肉搏战。德国空军出动了800架俯冲轰炸机，但仍使德军许多人丧生，挫伤了德军再次进攻的锐气。
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，德军开始了第三次的攻击，企图通过此次攻击取得决定性胜利。为了这次进攻，德军在约5公里宽的地段上集中了2个坦克师、3个步兵师，且出动了2000架次飞机作为支援。
10月14日的早晨，在一阵山崩地裂声中打响了当时最大的一次战役，这是苏军在以往的战斗中从未遇到过的。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。一团团的烟云和尘雾笼罩着天空，简直使人喘不过气来。很快，苏军的电话通信中断了。苏军的战士们冒着随时都可能发生的生命危险，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。由于德军的轰炸和扫射，使苏军的每门炮只剩下2～3人。尽管如此，苏军的官兵们丝毫没有动摇胜利的信心。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，进行着顽强地抵抗。战斗空前惨烈，在这场猛烈的轰炸与厮杀中，仅朱可夫元帅的司令部里就有61人丧命。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。
15日，德军突破了防线，攻占了拖拉机厂，并冲到伏尔加河边。17日，苏军第一三八师增援工厂区的战斗。苏军顽强抵抗，大量杀伤德军。德军伤亡惨重，进攻势头减弱。10月17日，苏军第六十二集团军司令部和军事委员会带着文件和指挥器材离开掩蔽部，到伏尔加河岸以南约1公里没有任何掩蔽的露天河岸上进行指挥。这里距离前沿阵地——马马耶夫高地只有1公里。这个指挥所一直坚持到斯大林格勒会战结束。
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，但首先遇到了在古尔特耶夫的西伯利亚师。西伯利亚师在“红十月”工厂区，在破裂的车皮、弯曲的铁轨、倒塌的铁梁、堆积如山的煤和锈红色的黏土上，死战到底。
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。当德军炮声停止并开始冲锋时，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l0月底，他们向西伯利亚师发动了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，给敌以重创。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。
整个10月份，斯大林格勒一直进行着激烈的巷战。苏军有6个以上的满员师经伏尔加河进入斯大林格勒。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”。这场会战已经变成了一个面子问题。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。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，他非要攻陷它不可。当新任陆军总参谋长蔡茨勒将军小心地向希特勒指出第六集团军北翼漫长的顿河战线面临着危险，建议将第六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！”
