斯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。
9月13日，德軍開始攻城。而在此之前，德軍Ju-88式轟炸機用燃燒彈將市區炸成廢墟，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。蘇軍崔可夫中將指揮的第62集團軍和舒米洛夫少將指揮的第64集團軍受領了保衛斯大林格勒市區的任務。
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復爭奪。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。攻入城中的德軍死傷人數不斷增加。儘管德軍對伏爾加河東岸進行頻繁的轟炸，但是蘇軍還是從那裡得到了不斷的補給和支持。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。德軍的主要戰術是各兵種聯合作戰，非常重視步兵、工程部隊、炮兵和空軍的地面轟炸的協調。為了對抗這種戰術，蘇軍指揮官採取了貼身緊逼的策略，儘量將己方的前線與德軍貼近。這樣導致了德軍的炮兵部隊無法發揮遠程攻擊的優點。
斯大林格勒會戰
蘇聯近衛航空兵11團的伊爾-2強擊機給入城德軍坦克重大殺傷。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復爭奪，第一火車站的爭奪戰達一周之久，德軍不顧一切，一步步向市中心逼近。
9月25日，德軍佔領了市中心，27日沖進了北部工廠區，並重新佔領了馬馬耶夫高地，但在29日又被蘇軍奪回。以後的戰鬥更加激烈，兩方軍隊不斷地交替佔領這片高地。斯大林格勒工業區修建在丘陵中，建築物用鋼筋混凝土澆築或用石頭砌成。德軍的推進不是用公里，而是用米來衡量，德第6集團軍的一比特叫漢斯·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。”對火車站反復爭奪達13次之多。在一個大糧食倉庫裡，兩軍的阿兵哥非常接近，甚至能够聽到對方的呼吸聲，經過數個星期的苦戰，德軍不得不從這個倉庫撤走。在城中的另一個部分，由揚科夫·巴甫洛夫指揮的一個小分隊（共計6人）佔據了城中心的一座公寓樓，並頑強地進行抵抗。士兵們在大樓附近埋設了大量地雷，並在視窗安設了機槍，還將地下室的隔牆打通以便通訊。這座頑強的堡壘後來被蘇聯人驕傲地稱為“巴甫洛夫大樓”（最後僅剩一堵牆還留到現在，上面雕刻著阿兵哥抵抗的畫面，右上角刻著58以表明他們6人堅守了58天）。
由於德軍無法看到戰鬥結束的迹象，便開始調遣包括600毫米迫擊炮等重裝甲部隊開入城內。然而在伏爾加河東岸的蘇聯火炮部隊將德軍置於其炮火籠罩之下。而城中的紅軍防禦部隊仍然利用廢墟進行戰鬥。由於城內佈滿了高達數米的瓦礫堆和廢棄建築，德國的坦克部隊毫無用武之地。此外，蘇聯的狙擊手非常成功地利用廢墟作為掩體，給德軍造成了極大傷亡。最為成功的一名狙擊手Zikan到11月20日為止已經擊斃了224個敵人。而日後成為好萊塢電影《兵臨城下》中的主人翁瓦西裏·紮伊采夫（Vasilly Grigoryevich Zaitsev）。另外一名狙擊手也創造斃敵149人的紀錄。
對於史達林和希特勒來說，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持斯大林格勒。在9月底和10月初，蘇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。
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濕疹的病痛，以至於不得不將自己雙手完全包紮起來。
此時，德軍在蘇聯南部的戰線是從庫爾斯克和沃羅涅日起，通過斯大林格勒到莫茲多克，長達1250英里以上。再加上從庫爾斯克到列寧格勒之間的800英里，德軍在蘇聯的戰線全長已在2000英里以上，而以德國的兵力和資源，根本就不足以維持如此長的戰線。特別危險的是，從斯大林格勒沿頓河上溯至沃羅涅日共長350英里，竟毫無掩護。德國自己騰不出兵力來填補這個缺口，只得在這一線部署了附庸國的3個集團軍：匈牙利第2集團軍在沃羅涅日南面；義大利第8集團軍在東南面更遠一些的位置；羅馬利亞第3集團軍在斯大林格勒正西、頓河灣曲部的右側。這使得戰線拉得非常狹長，甚至在有些地段，只有一個野戰排來防守整整1-2公里的防線。而蘇軍在伏爾加河南岸保留了幾個攻擊點，這對德軍構成了潜在的威脅。希特勒並非不知道這些裝備和戰鬥力都極差的附庸國部隊是不足以擔負這個任務的，但他卻深信只要能迅速攻克斯大林格勒，則即可抽出足够的兵力。德國陸軍參謀總長弗朗茲·哈爾德表示了憂慮和抗告，認為斯大林格勒是不可陷入的，力主放弃這個作戰，並向西撤退。結果，希特勒便在9月底免去了哈爾德陸軍總參謀長的職務，任命原駐法國的德軍總司令庫爾特·蔡茨勒（Kurt Zeitzler）上將為新一任陸軍總參謀長。
9月28日，蘇軍最高統帥部决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（Nikolai Vatutin）。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制反攻計畫。
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”（德語：Rattenkrieg），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。”對史達林來說，是决不能讓這座以自己名字命名的都市落入德軍之手的。他親自下令葉廖緬科上將，要求在任何情况下都要堅守該城。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畧價值，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。希特勒嚴厲地回答說：“德國阿兵哥到了哪裡，就要守到哪裡！”
經過3個月血腥的戰鬥至11月初，德軍終於緩慢地推進到了伏爾加河岸，並且佔領了整座都市的80%地區，將留守的蘇聯軍隊分割成兩個狹長的口袋狀，德軍始終未能完全佔領斯大林格勒。此外，伏爾加河開始結冰，導致蘇聯不能再通過船運送補給品給城中守軍。儘管如此，馬馬耶夫高地附近的戰鬥和北部城區的工廠地帶的戰鬥依然非常激烈。其中，紅色十月工廠、拖拉機廠和街壘工廠的戰鬥為全世界所知曉。當蘇聯阿兵哥與德軍進行槍戰的同時，工廠內的工人就在側旁修復損壞的坦克和其它武器，有的時候甚至就直接在戰場上修理武器。坦克由工廠的工人志願兵駕駛。這些坦克往往直接從兵工廠的生產線上開到了戰鬥前線，甚至來不及塗上油漆和安裝射擊瞄準鏡。
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公里的正面上發起强攻。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，都進行了异常激烈的戰鬥，雙方傷亡慘重。德軍雖然在街壘工廠以南沖到達了伏爾加河岸，但部隊已疲憊不堪，其攻勢已成强弩之末，保盧斯被迫於次日停止了進攻，修整部隊。蘇軍的損失同樣嚴重，第62集團軍的兩個師損失了75%的兵員。
根據蘇聯方面統計，從7月到11月的戰鬥中，德軍在頓河、伏爾加河和斯大林格勒的戰鬥中損失約70萬人，1000餘輛坦克，2000多門火炮，1400餘架飛機。