Бои в излучине Дона и Волги продолжались целый мёсяц. Они продемонстрировали возросшее боевое мастерство Красной Армии. В отличие от лета 1941 г. советские войска не были разгромлены. Они сохраняли боеспособность, вели маневренную оборону и не попали в окружение. Стойкое сопротивление Красной Армии на Сталинградском направлении вынудило Гитлера перебросить сюда с Кавказа (31 июля) 4-ю танковую армию (генерал Г. Гот). После этого немцы усилили натиск и, совершив последний бросок к Волге, в конце августа прорвались к городу. Битва за Сталинград началась 23 августа 1942 г. с выхода частей 6-й немецкой армии (генерал Ф. Паулюс) к Волге у северной окраины города. С юга к нему тем временем прорвалась 4-я танковая армия. Город был взят в клещи. Теперь связь с ним могла осуществляться только через реку. Чтобы сразу подавить волю защитников города к сопротивлению, германское командование 23 августа бросило на город всю авиацию 4-го воздушного флота, которая в течение одного дня сбросила на город свыше 2 тыс. бомб. После этого удара с неба Сталинград еще до начала боев в одночасье превратился в груды развалин.
В сентябре для взятия Сталинграда немцы создали 170-тысячную группировку (прежде всего из сил 6-й армии). Город защищали 62-я (генерал В.И. Чуйков) и 64-я (генерал М.С. Шумилов) армии. В рядах принявшей основной удар 62-й армии насчитывалось в тот момент 50 тыс. чел. Захватив Сталинград, немцы могли перерезать линию Волги, что резко затрудняло связь центра страны с Кавказским регионом. Кстати, этот волжский город стал единственным за всю войну пунктом, к которому германская армия вышла в соответствии с конечным рубежом своего продвижения на восток по плану «Барбаросса».
13 сентября начался штурм Сталинграда. Если раньше советские войска оставляли города, как правило, без уличных боев, то теперь яростная борьба разгорелась за дома и этажи. Немцы оттеснили 64-ю армию к южной окраине города, и основная тяжесть Сталинградской обороны легла на плечи бойцов Чуйкова, связь с которыми поддерживалась лишь через Волгу. До 27 сентября основная борьба шла за Центральный вокзал, который 13 раз переходил из рук в руки. Другими опорными пунктами обороны стали Мамаев курган, Дом Павлова, заводы «Красный Октябрь», «Баррикады», СТЗ. Сражения на 20-километровой полосе вдоль Волги не затихали ни днем ни ночью, переходя от перестрелок к рукопашным схваткам.
По свидетельствам очевидцев, город превратился в море огня, дыма, пыли и развалин. Немецкое наступление в городе раскололось на множество отдельных атак, что уменьшило мощь удара. Война, бывшая до этого маневренной, превратилась в позиционную, вылившись в жестокую форму ближнего боя. Если раньше продвижение немцев измерялось сотнями километров, то на самой восточной точке советско-германского противоборства — в Сталинграде счет пошел уже на метры. Так, с 27 сентября по 8 октября 1942 г. немецкие войска продвинулись вперед лишь на 400—600 м.
14 октября немцы предприняли генеральный штурм Сталинграда. «Это был день самых кровопролитных и ожесточенных боев за все время сражения. В то утро нельзя было услышать отдельные выстрелы или взрывы — все слилось в непрерывный оглушительный грохот», — вспоминал генерал Чуйков. Штурм продолжался три недели. Атакующим удалось овладеть Сталинградским тракторным заводом и выйти к Волге на северном участке обороны 62-й армии. Но защитники Сталинграда, прижатые к реке, с необычайной стойкостью продолжали отражать натиск штурмовых отрядов.
14 ноября германское командование предприняло третью попытку полностью овладеть городом. После отчаянной борьбы немцы взяли южную часть завода «Баррикады» и прорвались на данном участке к Волге. Это был их последний успех. За время уличных боев бойцы Чуйкова и Шумилова отразили до 700 атак. С июля по ноябрь немцы потеряли в Сталинградской битве 700 тыс. чел. Советские войска — около 644 тыс. чел.
