9月5日拂曉，朱可夫將3個新銳集團軍投入反擊，但是準備的時間太短了，結果沒能達到預期的目標。但是斯大林不甘心，當晚，斯大林命令朱可夫繼續衝擊。1942年9月6日，蘇聯紅軍再次發動進攻，再次失敗。1942年9月10日，蘇聯紅軍試圖從北面實施突擊，恢復同第62集團軍的聯絡，又遭到失敗。蘇軍一敗再敗，迫不得已，在9月12日，只得撤至市區圍廓，外圍防禦地帶已全部喪失，德軍突破斯大林格勒城防，把守衛城市的第62集團軍同戰場上的其他部隊分隔開來。
在高加索方向，利斯特A集團軍群以高速前進。1942年8月9日，克萊斯特第1裝甲集團軍佔領了邁柯普油田。1942年8月22日，克萊斯特的士兵在海拔18526英尺的厄爾魯斯山峰上升起了第三帝國的萬字旗。1942年8月25日，克萊斯特部又攻佔了莫茲多克，距格羅茲尼四周的蘇聯最大產油中心只有50英里，距裡海也只有100英里。1942年8月31日，希特勒要求A集團軍群司令利斯特元帥傾其所有的力量向格羅茲尼作最後進攻，儘快拿下油田。但德軍衝擊力迅速下降，進展緩慢。希特勒認為是利斯特不賣力，於是調任克萊斯特，克萊斯特上任後，雖然竭盡全力，也無法再前進一步。因為衝擊力喪失的主要原因是缺乏燃油。德軍的機械化部隊，是需要喝油的。
1942年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集團軍群司令魏克斯上將和第6集團軍司令保盧斯上將，命令他們於1942年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。
大林格勒方向上的軸心國部隊共有50多個師，其中直接進攻斯大林格勒的有13個師，17萬人。而蘇聯紅軍斯大林格勒方面軍和東南方面軍雖有120個師但人員缺額嚴重，實際防守斯大林格勒的是第62和64集團軍，共有9萬餘人，1000餘門火炮，120輛坦克。1942年9月13日，德軍開始攻城。而在此之前，德軍Ju-88式轟炸機用*將市區炸成廢墟，伏爾加河沿岸對斯大林格勒的水路增援也受到影響。保盧斯第6集團軍擔當主力，從城北實施猛烈突擊。霍特第4裝甲集團軍則從城南推進，策應保盧斯在城北的主攻。
1942年9月14日，德軍從城北突入市區，與蘇第62集團軍展開了激烈的巷戰，雙方逐街逐樓逐屋反覆爭奪。斯大林格勒變成了一片瓦礫場，城中80%的居住區被摧毀。在滿是瓦礫和廢墟的城中，蘇聯第62集團軍頑強抵抗，在城中的每條街道，每座樓房，每家工廠內都發生了激烈的槍戰。儘管德軍對伏爾加河東岸進行頻繁的轟炸，但是蘇聯紅軍還是從那裡得到了不斷的補給和支援。剛剛趕赴城中的紅軍戰士的平均存活時間不超過24個小時，軍官也只有約三天的平均存活時間。蘇聯紅軍純粹是在拿人命在抵抗。
1942年9月15日，德軍對馬馬耶夫高地實施重點突擊。該高地是斯大林格勒城中的制高點，從這裡可以俯瞰和控制全城，崔可夫中將的第62集團軍司令部即設在這裡。經過一天最為殘酷的戰鬥，德軍佔領了馬馬耶夫高地。但在1942年9月16日，蘇近衛第13師渡過伏爾加河進入斯大林格勒，突然向德軍發起反衝擊，又奪回了該高地。很多重要據點雙方進行了反覆爭奪，第一火車站的爭奪戰達一週之久，德軍不顧一切，一步步向市中心逼近。
1942年9月25日，德軍佔領了市中心，1942年9月27日衝進了北部工廠區，並重新佔領了馬馬耶夫高地，但在1942年9月29日又被蘇聯紅軍奪回。德軍的推進不是用公里，而是用米來衡量，德第6集團軍的一位叫漢斯·德爾的軍官在《進軍斯大林格勒》一書中寫到：“敵我雙方為爭奪每一座房屋、車間、水塔、鐵路路基，甚至為爭奪一堵牆、一個地下室和每一堆瓦礫都展開了激烈的戰鬥。其激烈程度是前所未有的。”對火車站反覆爭奪達13次之多。
由於德軍無法看到戰鬥結束的跡象，便開始調遣包括600毫米迫擊炮等重裝甲部隊開入城內。但是蘇聯守軍依然利用隨處可見的廢墟來抵擋德國人的入侵。在廢墟中，蘇聯的狙擊手成為了攻城德軍的夢魘，給德軍造成了極大傷亡。最為成功的一名狙擊手Zikan到1942年11月20日為止已經擊斃了224個敵人，而其也因此成為日後好萊塢電影《兵臨城下》中的主人翁瓦西里·扎伊採夫的原型。另外一名狙擊手也創造斃敵149人的紀錄。
對於斯大林和希特勒來說，斯大林格勒戰役都是事關成敗的關鍵一戰。蘇聯紅軍指揮部將戰略重點從莫斯科轉移到了伏爾加河地區，並且調動了全國所有的空中力量支援斯大林格勒。在9月底和10月初，蘇聯紅軍向斯大林格勒城區調去了6個步兵師和1個坦克旅；德軍則調去了20萬補充部隊，包括90個炮兵營和40個受過攻城訓練的工兵營。而雙方部隊的指揮官都承受著巨大的壓力。德軍的指揮官保盧斯得了眼部肌肉痙攣的疾病，而崔可夫也在不見日光的地下室司令部也忍受著溼疹的病痛，以至於不得不將自己雙手完全包紮起來。
1942年9月28日，蘇聯紅軍最高統帥部決定將斯大林格勒方面軍改稱頓河方面軍，司令員為羅科索夫斯基中將；東南方面軍改稱斯大林格勒方面軍，司令員為葉廖緬科上將；近衛第1集團軍擴建為西南方面軍，司令員瓦杜丁中將（NikolaiVatutin）。副最高統帥朱可夫大將和總參謀長華西列夫斯基上將奉命秘密擬製反攻計劃。
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1942年10月份一個月中，斯大林格勒一直進行著激烈的巷戰。德軍逐屋戰鬥，從地面和地下的廢墟中找路前進，所以也被稱為“老鼠戰爭”，甚至開玩笑說“即使我們佔領了廚房，仍然需要在客廳進行戰鬥。”對斯大林來說，是決不能讓這座以自己名字命名的城市落入德軍之手的。他親自下令給葉廖緬科上將，要求在任何情況下都要堅守該城。每一座房屋，只要有蘇聯軍人，哪怕只有一個人，也要成為敵人攻不破的堡壘。而對希特勒來說，斯大林格勒的精神價值已超過了其戰略價值，非要攻陷它不可，當新任陸軍總參謀長蔡茨勒將軍小心地向他指出第6集團軍北翼漫長的頓河戰線面臨著危險，建議將第6集團軍撤到頓河河曲時，希特勒嚴厲地回答說：“德國士兵到了哪裡，就要守到哪裡！”
經過3個月血腥的戰鬥至1942年11月初，德軍終於緩慢地推進到了伏爾加河岸，並且佔領了整座城市的80%地區，將留守的蘇聯軍隊分割成兩個狹長的口袋狀，但是德軍始終未能完全佔領斯大林格勒。1942年11月11日，德軍以5個步兵師、2個裝甲師和2個工兵營在寬5公里的正面上發起強攻。戰鬥隊形高度密集。一天之內，蘇德兩軍為爭奪每寸土地、每一座房屋，都進行了異常激烈的戰鬥，雙方傷亡慘重。德軍雖然在街壘工廠以南衝到達了伏爾加河岸，但部隊已疲憊不堪，其攻勢已成強弩之末，保盧斯被迫於次日停止了進攻，修整部隊。蘇聯紅軍的損失同樣嚴重，第62集團軍的兩個師損失了75%的兵員。
蘇聯紅軍蘇最高統帥部自9月底開始準備大反攻，負責斯大林格勒地區總體戰略的朱可夫開始向斯大林格勒秘密大規模集結兵力。至1942年11月中旬，在斯大林格勒地域城外的南北兩側的蘇聯紅軍計3個方面軍10個諸兵種合成集團軍，1個坦克集團軍，4個空軍集團軍和若干個獨立軍、坦克軍和旅，共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。當面的德軍B集團軍群共有80個師又3個旅，約100萬人，10290門火炮，675輛坦克，1216架飛機。
朱可夫的策略是將德軍繼續牽制在城內，然後透過打擊德軍虛弱的外側來將德軍包圍在斯大林格勒市區。1942年11月13日，斯大林批准了朱可夫和華西列夫斯基擬製的反攻計劃，並親自給這個計劃取代號為“天王星行動”，這與針對德軍中央軍群的“火星行動”相呼應。該計劃規定：西南方面軍由瓦杜丁中將指揮，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，突破羅馬利亞第3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，突破羅馬利亞第4集團軍防禦，與西南方面軍在卡拉奇會師，完成對德第6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。反攻日期定為：西南方面軍和頓河方面軍為1942年11月19日，斯大林格勒方面軍為1942年11月20日。（未完待續）