1942年9月底，在德国播放的新闻片里，已经出现了德军在斯大林格勒升旗的镜头。9月30日，希特勒对外宣称：“大家可以相信，我们将进攻斯大林格勒并占领它。如果我们占领了某个地方，那谁也休想把我们从那里赶出来。”
希特勒对夺取斯大林格勒没有丝毫怀疑，戈培尔则设计好了报纸的特别版，身处前线的保卢斯同样怀着乐观的情绪，他正考虑设计一枚斯大林格勒战役的纪念图章。
1942年9月26日，在基本肃清城市南部苏军后，保卢斯调整了兵力部署，将作战重心北移。原来在城南作战的德军第48装甲军所属第24装甲师和第94步兵师也划归第51军军长库尔茨巴赫指挥，负责全力进攻城北的苏军第62集团军。
崔可夫也调整了兵力部署，因为德军在开阔地上的兵力调动丝毫不加以掩饰，他可以轻易地判断出德军的进攻意图。崔可夫准备发动一次反击，以化解德军的进攻。为此他集中了第23坦克军所有坦克（36辆中型坦克和20辆轻型坦克），以及近卫第13步兵师和第95、第284步兵师。同时在南郊的第64集团军也将派出近卫第36步兵师、第10内务师配合行动，目的是打通和第62集团军的联系。
9月27日拂晓，经过1个小时的炮火准备，第62集团军抢先发动了进攻。第95和第284步兵师向马马耶夫岗德军第295步兵师攻击，近卫第13步兵师则冲向德军第71步兵师防守的1号车站。
德军的进攻原本也定在这一天，对于突如其来的反击感到相当意外。不过在经历了短暂的混乱后，形势就发生了逆转。炮兵开火了，与此同时一大群德国飞机出现在反攻苏军的头顶，展开猛烈扫射和轰炸。在面对绝对优势的火力打击下，苏军被迫停止了行动，付出的则是可怕的伤亡。
上午10时，保卢斯按原计划转入进攻，8个师在26个炮兵连的火力支援下，从南北两个方向同时发起猛烈攻势。战斗进行到10月2日，第62集团军虽然仍坚守在斯大林格勒，但他们的阵地已经被压缩至南北约20公里长，前沿距离伏尔加河最近的只有200米，最远也不过2.5公里，整个城区的75%被德军攻占。
崔可夫利用战斗间歇匆忙清点了兵力，在上交给斯大林的清单中，第62集团军截至10月1日尚有44201人和21辆坦克，但这个数字包括了大量在伏尔加河东岸的炮兵部队和后勤人员，一线人员已经所剩无几。比如第95师名义上还有2592人，却只有230名战斗人员；第112师有2722人，战斗人员只有600人左右。第23坦克军已经名存实亡，残存的21辆坦克被全部集中给近卫第6坦克旅。崔可夫的集团军眼看就要流干鲜血。
崔可夫没想过撤退。无论是出于哪方面考虑，也许是军人的天职，也许是建功立业的驱使，又也许是对斯大林在7月28日下达的第227号训令的恐惧，总之他不能撤退。不仅如此，作为二战著名的战术大师，崔可夫敏锐地洞察到了破敌的良策，他把城市巷战的原则归纳为三个要点：废墟战、近战、分散战。
在斯大林格勒城市攻防战最初了三个星期里，苏军实际上是按照德军的节奏打的。苏军依托城市建筑物构筑一条完整防线，德军进攻前充分发挥炮火优势，向苏军阵地倾斜火力。同时空军出动飞机，铺天盖地地倾斜炸弹，把每一寸土地化为焦土，把每一栋房屋变成废墟。在完成毁灭性的打击后，几十辆坦克在步兵的掩护下发起冲锋，苏军在抵抗不支后选择撤退，接下来将面临德军集中火力地碾杀。
苏军吸取了初期的教训，逐渐适应了在废墟里作战。他们把火力点设置在恰当的位置，这样就算房屋被炸塌也不会伤及自身。苏军还在房屋之间挖掘了通道，当德军炮击或轰炸时，他们就可以转移到另一座建筑物里。当苏军发动反击时，先用火力抵近摧毁房屋，然后出动精干的小组，步兵准备好手榴弹用来消灭守敌，工兵准备好火焰喷射器和炸药用来炸掉窗户、大门或是房顶。在进攻之前，他们会从几个方向靠近这片房屋或街区，然后同时发动攻击。
德军也逐渐发现自己的装备和兵力优势已经不能转化成胜利。首先空中优势不再具有威慑力了，苏军尽可能地贴近德军战线，有的时候距离只有几十米，空军投鼠忌器，作战效能大不如前。
其次是火炮，大规模炮群并不适用于城市巷战，炮兵阵地往往要前移到距离目标300～400米的地方，这样他们就处在步兵轻武器的射程之内。炮手们必须动作迅速、出其不意，在发射1～2发炮弹后就必须击毁目标并快速转移阵地，否则他们就有可能招致反击。为此步兵还得抽出必要人手帮助炮兵搬运重武器。
坦克原本具备很强的机动性，不需要人力搬运而且有能力穿越废墟。从战役和战略角度而言，把大量宝贵坦克投入巷战并非明智之举，希特勒就特别反对把坦克用于巷战。但在斯大林格勒，德军却不得不使用大量坦克，因为苏军也有强悍的T-34坦克，必须用己方坦克和强击火炮来对付它们。同时，德军还需要利用坦克的装甲车体保护步兵，用火炮摧毁敌军据点。不过这样一来，坦克在闪击战中所应发挥的机动、突破作用就大打折扣了。
失去了装备优势，双方的差距也就自然而然地缩小了。同时德军还要解决一个新的难题，苏军分散在城市的每一个角落，大规模进攻虽然依旧能取得进展，但也会迅速消耗掉己方的进攻力量。当他们向前推进时，道路两侧经常遭到不知道从什么地方窜出来的苏军士兵发动的攻击。有的时候会从窗户里飞出燃烧瓶或者手榴弹，直接扔到坦克炮塔或者发动机舱盖上。与此同时，遭到疾风般射击的德国步兵也已经自顾不暇，有时甚至必须和近在咫尺的敌人用枪托、刺刀和铁锹来挑刺和砍劈彼此的血肉之躯。双方士兵在瓦砾和房屋里常不期而遇，毫无经验的苏联士兵也会一口气把冲锋枪子弹射光。
德军也不得不改变战术，他们以几辆坦克和小规模步兵部队一次围攻一到两个街区。这样他们可以缩小战斗队形，行动也更加灵活，即便遇到不测，也不会造成惨重的损失。“暴风突击小组”开始大量组建，这样的小组由10人组成，携带机枪、小口径迫击炮和火焰喷射器，负责清除房屋和下水道里的苏军。
德军另一个难题是令人胆寒的苏军狙击手。第62集团军拥有340名狙击手，他们无处不在，重点袭击德军军官和炮兵。战后苏联官方宣称第62集团军一共打死了6250名德军，这个数字虽然有些夸张，不过他们的确给德军造成了很大威胁，以至于一个连在短期内失去了三任连长。
在建筑物和街道密布的城市内，两军的作战距离缩短到了几十米甚至几米，展开的是名副其实的近战。这大大提升了冲锋枪、机枪、迫击炮、手榴弹、火焰喷射器，甚至刺刀、匕首等轻、冷武器的作用。
事实上在极短的距离内，每一个疲倦困乏的参战者都需要随时打起十足的精神，人的生命在这里变得比任何时候都要脆弱和廉价，最轻微的掉以轻心、最平常的行为，比如上厕所、吃饭、抽烟，都可能招致无意义的死亡。而暂时还活着的人们则继续依偎在越来越多的敌人和朋友正在发臭腐烂的尸体身旁，终日与被烧毁的坦克、车辆、房屋，以及无法清理的垃圾、粪便为伴，在难以忍受的恶臭硝烟中苟延残喘。否则就会莫名其妙地丧命。
10月3日，斯大林给第62集团军送来了新锐部队。当天晚上，编有6695人的近卫第37步兵师踏上了伏尔加河西岸；10月4日，2500人的第84坦克旅上岸，他们装备了49辆坦克，包括5辆KV重型坦克、24辆T-34中型坦克和20辆T-70轻型坦克。这两支部队都投入到了战斗最激烈的工厂区。
在此期间，德军的兵力已经有所削弱。空军方面，第4航空队抽调了大量中型轰炸机和少量俯冲轰炸机去高加索，在斯大林格勒方向保留了448架飞机，另有仆从国空军200～300架。相比之下，苏军共有373架飞机。
在地面，第6集团军尚能保持10个师的兵力在城区，他们被划分成了60个步兵营和10个工兵营，总兵力约9万人。此外他们还配备了300辆坦克、2300门火炮和迫击炮。
德军虽然仍具有优势，斯大林格勒的苦战仍然看不到尽头，对结局的展望也变得越来越模糊了。希特勒和戈培尔曾相信很快就会得到胜利消息，可是等到10月初都没结果。失望情绪蔓延开来，戈培尔已经悄悄指示减少对斯大林格勒战役的报道。前线的德国军官也感到斯大林格勒将成为新的“凡尔登”，成为斯大林和希特勒争夺声望的决战。
保卢斯在9月26日就向希特勒报告了胜利，现如今那些话换来的是一片批评和嘲讽。部下发现保卢斯总是长时间地盯着斯大林格勒地图冥思苦想，面部不时地会抽搐，这是身心承受巨大压力的表现。他希望希特勒能再调给他一些部队，可后者也无兵可派。
崔可夫这边则得到了另一个好消息，方面军的炮兵部队正不断得到加强，他们在东岸已经集结了9个炮兵团、1个炮兵营、3个迫击炮团、14个火箭炮团、1个火箭炮营。这些部队的建制很完整，而且其中大部分被用来支援崔可夫。他决心好好利用这些火炮。
10月5日，德军第389步兵师和第24装甲师沿着拖拉机工厂和“街垒”工厂之间展开进攻，30多辆坦克和4000名步兵涌向3公里宽的狭窄正面。为了阻止住德国人，苏军集中起300门大炮猛轰了40分钟，每隔不到10米就有一门大炮在咆哮，完全不给德军任何生存躲避的机会。
这轮凶猛炮击造成的具体损失不详，结果是德军很快就耗尽了战力，残剩的步兵少得没法继续前进。迫不得已保卢斯决定暂停攻势。下一次行动要等到增援部队抵达并完成对整个集团军的重组。
10月6日，苏军向暂停进攻的德军部队炮击了一整天。与此同时B集团军群司令魏克斯给保卢斯发来了一封催命符般的电报，内容是第6集团军要集中所有部队继续进攻斯大林格勒。保卢斯的电报更像是给自己打气，他说：“战斗艰难地持续着，事态发展变得很慢，但我们每天都能取得一点进展。全部问题的关键在于兵力和时间，我们仍将打败苏联人。”
10月7日，崔可夫原本计划发起一次反击，但保卢斯率先展开强攻。第389步兵师向拖拉机厂的攻势起初比较顺利，守军近卫第37步兵师的一个团遭受重大打击。经过一番苦战，该团后撤300米，在苏军第84坦克旅投入战斗后，苏军稳住了战线。
这样的战斗每天都在发生，保卢斯可以用于进攻的部队变得越来越少。苏军适时的反击则进一步消耗了第6集团军的有生力量。战至10月中旬，库尔茨巴赫指挥的第51军已经无力进攻，他投入的25个营大部分拼光了，只有第100歼击师的6个营尚可一战。
德军的弹药也所剩不多，他们在9月份消耗了2500万发子弹、50万发反坦克炮弹和75万反野战炮弹，但城市仍然在苏军手中。
保卢斯必须尽快拿下斯大林格勒，因为冬天就快到了。在他的要求下，希特勒取消了第4装甲集团军南下夺取阿斯特拉罕的命令，并严令霍特把第14装甲师移交给保卢斯。同时保卢斯把第79和第305步兵师从顿河一线调回，交给库尔茨巴赫，这让第51军新增了16个步兵营和战斗工兵营。
为了能让下一次进攻产生决定性，他还得到了希特勒的批准，推迟进攻日期，以便得到更充足的补给。
1942年10月14日晨，保卢斯把自己的指挥部迁至斯大林格勒城西北的戈罗季谢，距离他不远的地方就是德军这次要夺取的拖拉机厂。德军准备了5个师，第389步兵师和第100歼击师分别保护左右两翼，新调来的第305步兵师在第14和第24装甲师114辆坦克和强击火炮的支援下，直接攻击拖拉机厂。
担任主攻的第309步兵师有9个步兵营，除了有两个装甲师的支援外，第8航空军也奉命尽最大努力支援这次“决定性”的行动，为此他们还得到了来自遥远的第1航空队（负责列宁格勒方向）增援的3个Ju-88轰炸机大队的加强。同时，罗马尼亚空军的100架飞机也将投入此次进攻。
直接防守拖拉机厂的苏军是近卫第37步兵师，该师编入了为数不少的空降兵，很善于白刃战。在近卫第37步兵师的南翼是第95步兵师第90步兵团，第112步兵师残部（约600人）；身后是第84坦克旅，第308步兵师则在不远处的斯库利普图尔公园遥相呼应。
希特勒在这一天发布了“1号战役命令”，宣布德军已经完成了夏季攻势的目标——将高加索和苏联中部隔开。他要求东线德军在即将到来的冬季守住现有阵地，并“完成仍在进行的战役和已定的进攻战役”。显然夺取斯大林格勒是“仍在进行的战役”。
晨8时，第14、24装甲师混合战斗群的114辆坦克和强击火炮，排成几个装甲梯队，引导着如狂潮般涌来的德国步兵，咯吱咯吱地爬过堆积成山的垃圾和废墟，不顾一切地冲向拖拉机厂。德军的火炮疾风般狂射，大批德国飞机掠过天际，第8航空军宣称这天出动了2000个架次，投弹600吨。
接下来的4个小时激战，德国人用可怕的兵力和火力优势压倒了那些在废墟间用自动枪、机枪、燃烧瓶顽抗的苏军士兵。尽管一些德国坦克在废墟间挨了地雷而瘫痪下来，剩下的坦克还是冲到拖拉机厂体育场，一举割裂了苏联近卫第37步兵师、第112步兵师、第308步兵师的阵地，使其陷入各自为战的境地。
第14装甲师的坦克穿过拖拉机厂，从北面直扑伏尔加河河岸。当一个坦克营和一个步兵营于午夜冲到河岸时，他们的后方却被继续抵抗的苏军截断。在破烂不堪的厂房和庭院里，战斗并没有停息，拖拉机厂体育场以南的一个六角形街区里的石质建筑物成为近卫第37师一个营的抵抗据点。尽管德国人动用了包括火焰喷射器在内的所有手段，但围绕每一座房屋、每一个地下室展开的恶战显然不会很快结束。近卫第37师在这些战斗中几乎被拼光，只有250人得以退出战场。
第24装甲师在近卫第37步兵师和第308步兵师的结合部取得突破，逼近“街垒”工厂，他们距离伏尔加河也仅有500米。第305步兵师的3个团正肃清拖拉机工厂的苏军，距离崔可夫的指挥部只差“一次猛烈的冲锋”。
此时，崔可夫的战士正在迅速减少，仅在当晚至次日凌晨，送到东岸的伤兵就有3500人。与此同时，东岸的援兵也陆续到达，原定在15日晚过河的第138步兵师提前将一个团输送到西岸，他们再次挽救了斯大林格勒。
时刻关注着斯大林格勒的苏军统帅部意识到，最关键的时刻到了。10月15日晚，叶廖缅科时隔43天乘坐一艘装甲快艇，在几艘炮艇的护卫下过河回到了斯大林格勒，几经辗转抵达崔可夫的司令部。
叶廖缅科在苏军内部的人缘极差，他和朱可夫、华西列夫斯基、科涅夫、罗科索夫斯基等人的关系都很糟糕。其原因可以从他在斯大林格勒城市巷战期间唯一一次到访第62集团军司令部的所作所为看出端倪。他是来兴师问罪的（华西列夫斯基战后说叶廖缅科是被斯大林逼着来的），崔可夫不善言谈，而且他也没有好消息报告给自己的顶头上司。
在指挥部一片肃杀的气氛中，刚刚死里逃生的近卫第37步兵师师长（他的指挥所被炸弹击中，人埋在瓦砾中，是手下把他挖了出来的）若卢杰夫说了公道话，他用亲身经历让叶廖缅科相信：在遭到1000架飞机轮番轰炸、150辆坦克和潮涌般步兵进攻的情况下，他的师根本不可能守住拖拉机工厂。
叶廖缅科被这番话打动了，没有过分责怪，甚至还允许崔可夫把指挥所往南再后撤一点。而崔可夫则请求多送些弹药来，他自己手头的快要打光了。
10月16日，拖拉机厂已经基本被德军控制。保卢斯命令第51军军长库尔茨巴赫将兵力南移，一鼓作气拿下“街垒”工厂地区。在接下来的三天，双方在那里复制了拖拉机厂的战斗情景，新抵达的苏军第138步兵师在工厂北部且战且退，始终保持着完整的战线，苏军的空降兵们开始和德军逐屋争夺。这个时候很少能听到枪声，手榴弹、匕首、工兵铲和迫击炮是主要武器。
德军在日记里这样描述他的经历：“我们每天进攻。早上我们设法推进20米，晚上苏联人就发动反击把我们赶回去。前天我们发起了一次进攻并抵达伏尔加河，可我们却无法守住战果。”
这样的战斗对双方都是煎熬，就连崔可夫也有些坚持不住了。他的指挥部就设在“街垒”工厂，在德军步步逼近下不得不转移。10月17日，崔可夫等人带着文件和器材走出指挥部，打算在“红十月”工厂找一个新的落脚点。他们在路上多次遭遇德军的机枪扫射，不得不改变路线朝伏尔加河方向走去，最后在一片露天的场地安顿了下来。
10月19日，天上下起了雨，而且一下就是四天。苏德双方都在利用这段时间调整部署，蓄积力量……
