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。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。