苏军放弃大片地区后撤，又使国家再次面临严峻形势，尤其是南线危局威胁到石油血脉，朱可夫在战后会见西方将领时曾形容此时“几乎到了被压垮的边缘”。
1942年夏天，苏军已装备了性能较好的拉-5战斗机，又得到数千架英美提供的战斗机，同德军空中实力差距大为缩小。不过这时苏联空军仍集中力量保卫莫斯科，德军则集中空军于南线。8月中旬，斯大林格勒60公里外的顿河畔炮声轰鸣，这座有44万人口的城市仍奉命照旧生产，居民没有疏散，掩护城市的空军只有一个装备86架歼击机的航空兵师。
从7月17日起，苏军第六十二、第六十四集团军与德军第六集团军进行激烈战斗，开始了方面军主要防御地带的争夺。德军企图对顿河大弯曲部分的苏军两翼实施突击并将其合围，从西面突向斯大林格勒。苏军的顽强防御和反突击打破了德军的企图，并迟滞了德军的进攻。至8月10日前，该部苏军退到顿河东岸，在斯大林格勒外层防御围廓，阻止了德军前进。在斯大林格勒的西南方向，德军坦克第四集团军也实施了突击，但遭到苏军的顽强抵抗，被迫暂时转入防御，至8月17日前，也被阻止于外层防御围廓南部地区。为便于指挥，斯大林格勒方面军分成斯大林格勒和东南两个方面军。
1942年8月19日，德军调动21万兵力对斯大林格勒发动了第一次攻击。保卢斯率领的德军第6集团军在斯大林格勒城下与苏军进行战斗。德军与苏军在斯大林格勒城外进行拉锯战。德军一部分兵力在斯大林格勒以北逼近伏尔加河畔，企图从北面沿伏尔加河实施突击夺取该市。撤到西北方向上的苏军部队由北向南实施了反突击，将该部分德军阻止于西北郊区。8月23日，当斯大林格勒因大火失去联络时，斯大林以为城市已经陷落。幸运的是，城内的第62集团军已部署了防御，把德军阻止在城南3公里处。
8月23日这一天，希特勒和纳粹空军司令戈林下令德军轰炸机主力倾巢而出轰炸斯大林格勒。德机一昼夜共出动1500架次，投弹达1000吨。苏军飞机和高炮未能有效保卫城市上空，许多生产和运输单位因存有大量石油，巨型油库中弹起火后燃烧的石油沿河蔓流，竟把长达几十公里的港口、码头和河中的船只全部烧光。
苏军最高统帅部又从其战略预备队调集两个集团军，会同斯大林格勒地域苏军的一部分兵力再次对进到伏尔加河畔之德军实施了一连串的突击，这就迫使德军第六集团军的大部兵力调向北面，大大削弱了其对斯大林格勒的突击力，在9月13日前该部德军被阻击在内层围廓之外。在斯大林格勒南面的接近地，德军坦克第四集团军与苏军进行了激战，德军突破了防御，对苏军第六十四、第六十二集团军后方构成了威胁。这两个集团军奉命撤至内层防御围廓。这里的激战一直持续到9月12日。至此，德军统帅部以第六集团军和坦克第四集团军同时出击，从行进间夺取斯大林格勒的计划破产了。
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8月22日，德军第12装甲师移动到斯大林格勒。
向斯大林格勒行进的德军。
这一天空袭中有4万市民死亡，大火破坏了市内的通讯网，苏军司令部一度中断了对部队的指挥。德军装甲部队利用苏军紊乱突破了防线，在战争中最后一次创造了高速推进的纪录，一天内前进80公里，23日夜间到达伏尔加河岸。8月24日斯大林格勒市委下令将30万人疏散到河对岸，工厂也被迫将宝贵的设备转移到对岸或埋到地下。
值此紧要关头。斯大林任命朱可夫为苏军第一副统帅，让他飞到斯大林格勒组织反击。9月2日，保卢斯的德军第6集团军与南面的德军第4装甲军会合，对斯大林格勒形成半圆圈包围。德军向斯大林格勒发动了第二次攻击。守城军民不怕流血牺牲，守住了阵地。为减轻斯大林格勒压力，西北面顿河战线的苏军发动对德军阵地的进攻，牵制德军。
在斯大林格勒附近的罗马尼亚军队。
9月12日，德军以14个师的兵力发动了第三次攻击，从南、北、西三面紧逼斯大林格勒，部分德军已渗入到市区。德军欢欣若狂，柏林的报纸刊出醒目标题：斯大林格勒已陷落。可是德国人高兴得太早了，他们不知道，战争史上空前惨烈的巷战、肉搏战在他们进入斯大林格勒这座城市的时候就已经开始了！
苏军把兵力分成战斗小组、突击组，打击进入市区的德军。苏军的红色十月工厂、拖拉机厂和街垒工厂创造了世界战争史上罕见的业绩。尽管厂区外炮声隆隆，厂内的工人仍在修复损坏的坦克和其它武器，一些先前还没造好的坦克此时在拖拉机厂内完工，并由工人驾驶，直接从生产线上开到了战斗前线，甚至来不及涂上油漆和安装射击瞄准镜。
参加构建城防工事的斯大林格勒居民。
在战场上曾经发挥重要作用的德军坦克，在市区巷战中派不上用场，却成为苏军反坦克炮攻击目标。当德军从西面和西南面逼临城区时，固守斯大林格勒的苏军第六十二、第六十四集团军与德军展开了激烈的战斗。从9月13日到26日，德军向市中心的第六十二集团军各兵团反复发动冲击，第六十二集团军与第六十四集团军的联系被切断。27日德军又发动了第二次强攻，开始了争夺红十月村的战斗和巷战。28日，斯大林格勒方面军改称顿河方面军，东南方面军改称斯大林格勒方面军。德军伤亡3万余人，斯大林格勒还没有攻
下。
10月14日，德军强行发动第四次攻势。在经过5小时狂轰滥炸后，德军的5个步兵师、2个装甲师，向只有5千米纵深的苏军防线发起猛攻。德军遇到了苏军西伯利亚师的顽强抵抗，粉碎了德军上百次进攻。苏军官兵的浴血奋战为朱可夫嬴得了时间。朱可夫在伏尔加河东岸悄悄地集结了50万兵力，而德军一无所知，依然在西岸发动一次次进攻。
斯大林格勒守备区调动了内务部队、军政学员、防空兵、海军陆战队等一切可以调动的武装力量来加强市区防线。俄国人拼命抵抗让德军束手无策，侵苏德军团长威廉·霍夫曼在自己的日记中写到：“他们不是人，而是某种钢铁铸成的东西；他们不知疲劳，不怕炮火。”斯大林格勒军民同仇敌忾的意志和胜利的决心确保了苏军挡住了德军优势兵力的进攻，同时苏军还击毙德军近70万人，1000多辆坦克，2000多门大炮和迫击炮，1400架飞机，极大的消耗了德军的有生力量。
10月中旬，德军第三次企图攻占斯大林格勒，向拖拉机厂、街垒工厂和红十月工厂实施了突击。德军攻占了拖拉机厂并在2．5公里宽的地段上抵近伏尔加河畔。苏军第六十二集团军的处境极端复杂起来。固守每条街、每幢房屋、每寸土地的战斗展开了。此时顿河方面军为了援助斯大林格勒保卫者，在该市以北实施了连续反突击，第六十四集团军由南向德军进攻部队的翼侧实施了反突击。顿河方面军和第六十四集团军的反突击减轻了第六十二集团军所受的压力。11月11日，当苏军已充分做好反攻准备时，德军虽已突入市中七个区中的六个区，但最后一次强攻，仍未能占领整个城市。通过斯大林格勒接近地和市区的激战，德军的进攻力已消耗殆尽。
守卫斯大林格勒的苏联第62集团军指挥所，从左向右分别为：集团军参谋长克雷洛夫少将，集团军司令崔科夫中将，军事委员会委员古罗夫中将，第13近卫师师长罗季姆采夫少将。
斯大林格勒是一座背靠伏尔加河的新建工业城市，城后的欧洲第一大河使德军无法迂回包围，城内楼房林立，形成了一个个防卫堡垒。德国飞机、火炮虽把楼房炸烂，废墟仍然是难以逾越的障碍。德军有5个坦克军先后投入市区，在硝烟弥漫的街道上，坦克手往往看不清目标，自己装甲防护薄弱的侧面又很容易遭到苏军反坦克枪和轻型的45毫米口径反坦克炮攻击。
斯大林格勒城最著名的制高点——马马耶夫高地成为市区作战的争夺焦点。双方往往是攻击者刚占领山顶便被对方的猛烈炮火覆盖，接着又在反击中易手。攻击斯大林格勒后幸存的德国老兵，都把当时的街区形容为“日夜燃烧的地狱”。他们攻入市内后每天的推进不是用公里，而是用米来衡量，或者用尸体的数量来丈量。德国第6集团军的一位叫汉斯·德尔的军官在《进军斯大林格勒》一书中写到：“敌我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。”有的军官还叹息说：“即使我们占领了厨房，仍然需要在客厅进行战斗。”
苏军坚守斯大林格勒，双方逐街逐楼逐屋反复争夺。
一个苏军士兵拿着冲锋枪，背着食品罐，带着配给，艰难地爬过废墟。这是战争期间的一个普通的瞬间，但是整个战场上正到处上演着这一幕，无数的苏联士兵从废墟中冲出来，给入侵德军致命的一击。
在斯大林格勒城市攻防战中，双方士兵的素质得到充分显现。德国兵训练水平高，坚韧性却较差，激战若干天便要后撤休整，新调来的部队适应战场又要有一段时间。苏军士兵训练水平虽不及敌人，却能忍受残酷恶劣条件，战斗中各部队“只增不撤”。有的师打得只剩1000多人，留下的官兵却锻炼成非常熟悉这一特殊战场环境的斗士。人称二三个久经战斗的苏联老兵，便能在迷宫般的废墟中抵住一个排新开到的德军。
苏军狙击手在环境杂乱的前沿，能够有效地发挥突袭威力，有人创造出杀敌上百名的纪录。相反，过去主要习惯于在丛林和旷野作战的德国狙击精英调到这里却不适应环境，有“狙击之王”之称的军官反而被苏联同行夺去了生命。德军对斯大林格勒持续攻坚，是以己之短攻对手之长，体现出战略战役指导的笨拙。
1942年10月间，希特勒一再宣布已经占领了斯大林格勒，并掐断了俄国的石油运输命脉，事实上苏军仍在城东河边狭窄地段抵抗。在这个靠煽动蛊惑人心起家的独裁者眼中，占领此城的精神价值已超过了战略价值，导致疯狂压倒了理智。
参加斯大林格勒战役的苏军士兵
根据希特勒的严令，保卢斯指挥的第6集团军把能够调动的部队都投入城区攻击，苏军守城的第62集团军基本被压缩到河岸一线，德军开始将河边的守军切成两段，接着又切成十几段，却仍然不能消灭他们。随着攻城时间拖长到四个月，德军战线长、兵力不足的缺陷越发暴露出来。
此时德国陆军作战部队总共有260个师，已有189个师投入了苏德战场，西线为防御英美登陆又部署了50个师，在北非战场被吹得神乎其神的隆美尔只有4个师的兵力。东线德军兵力又拉长在3000多公里的战线上，斯大林格勒虽然是重点却得不到太多增援，原因在于苏军在其他方向牵制了德军。由于兵力不足，对斯大林格勒的北、南两侧的漫长侧翼防线，希特勒只能交给脆弱的罗马尼亚和意大利部队守卫。
在苏军展开反攻前两个月的9月间，德国陆军参谋长哈尔德上将便在大本营的一次会议上指着地图提醒希特勒，应警惕对方集中百万兵力从两侧包抄到攻城部队后方。据当事者回忆，希特勒马上用恶语斥责这个早已失宠的参谋长，说不愿听到这种蠢话，因为他认为苏军已经耗光了后备力量而无力反攻。希特勒后来一听到要求撤退的意见，都严厉回答说：“德国士兵到了哪里，就要守到哪里！”
1942年11月，因德军已经攻占了斯大林格勒城区大部，纳粹宣传机构此时宣称，“我们已经扼住了敌人的喉咙”。他们没想到的是，苏军随即开始的反攻却斩断了德国人伸出的手臂。此时斯大林格勒战线上的苏军共集中110万人，拥有1463辆坦克和1350架飞机，弹药、油料都很充足。对面的德军加上仆从军约100万人，拥有675辆坦克和1216架飞机。不过这些部队中只有德军48个师约60万人战斗力比较强，其余是意志薄弱的罗马尼亚、意大利部队。
苏军原定10月20日开始反攻，因物资没有齐备而拖到了11月上旬。此时空军元帅诺维科夫（诺维科夫毕业于伏龙芝军事学院，战前只是旅级军官，时任北方军空军司令，重视对于航空兵总部编制的建设，1941年对德军机场实行突袭，给了德军有力打击）报告：空军还没有做好准备。斯大林听后说不必性急，等待掌握制空权再总攻。约瑟夫这种认真听取部属意见的态度，比起过去按主观意志独断专行的独裁者“风度”的确有很大进步。
