Прорыв противника к Волге еще более осложнил и ухудшил положение частей, оборонявших город. Советское командование приняло меры к уничтожению прорвавшейся к Волге группировки противника. Контрударами войск Сталинградского фронта с северо-запада по левому флангу 6-й немецкой армии наступление противника на северо-западных подступах к Сталинграду было остановлено. Поскольку 62-я армия оказалась отрезанной от остальных войск Сталинградского фронта, она была передана в состав Юго-Восточного фронта.
Однако немецкое командование продолжало наращивать силы, сосредоточивая основные из них для борьбы непосредственно за город. К концу сентября в составе группы армий «Б», наступавшей на Сталинград, действовало свыше 80 дивизий. (Великая Отечественная война 1941–1945. Энциклопедия. С. 683.) Противник пытался в кратчайшие сроки овладеть Сталинградом.
С 12 сентября дальнейшая оборона Сталинграда возлагалась на 62-ю армию, командование которой принял генерал В. И. Чуйков и войска 64-й армии генерала М. С. Шумилова. 13 сентября противник начал наступление на центральную часть города и вышел к Волге. Фланги обеих армий были разъединены. В середине сентября положение защитников Сталинграда резко осложнилось, бои приняли исключительно ожесточенный характер.
В течение двух ночей, 15 и 16 сентября, на правый берег Волги переправилась 13-я гвардейская стрелковая дивизия генерала А. И. Родимцева, прибывшая на пополнение обескровленной 62-й армии. Гвардейские части отбросили немецкие войска от района центральной переправы через Волгу, очистили от них многие улицы и кварталы, выбили вокзала Сталинград-1.16 сентября войска 62-й армии при поддержке авиации штурмом овладели Мамаевым курганом. (Самсонов А. М. УК соч. С. 217.) Ожесточенные бои в Сталинграде велись на протяжении всего сентября. Большую помощь защитникам города в этот период оказывали почти не прекращающиеся в течение сентября контрудары 1-й гвардейской, 24-й и 66-й армий севернее города. Значительные силы немцев сковывали войска 57-й и 51-й армий, предпринявшие частную наступательную операцию южнее Сталинграда. Борьба по отражению первого штурма противника продолжалась с 13 сентября по 26 сентября.
С 27 сентября центром боев стали заводские поселки и район Орловки. Основные силы Сталинградского фронта были отрезаны противником от города. Учитывая это и принимая во внимание напряженный характер боев в Сталинграде, Ставка ликвидировала единое командование Сталинградского и Юго-Восточного фронтов. 28 сентября Сталинградский фронт был переименован в Донской (командующий генерал-лейтенант К. К. Рокоссовский), а Юго-Восточный фронт, войска которого вели бои за город, — в Сталинградский (командующий генерал-полковник А. И. Еременко). Позднее (25 октября) на правом крыле Донского фронта создается новый, Юго-Западный фронт (командующий генерал-лейтенант А. Ф. Ватутин).
14 октября немецкие войска после мощной авиационной и артиллерийской подготовки пошли на очередной штурм города. На участке около 5 км наступало несколько дивизий. Это наступление противника, продолжавшееся почти три недели, привело к наиболее ожесточенному сражению в городе. 15 октября немецким частям удалось овладеть Сталинградским тракторным заводом и на узком участке выйти к Волге. Положение 62-й армии крайне осложнилось. Развернулись тяжелые уличные бои за каждый дом, внутри каждого дома за каждый этаж, каждую квартиру, каждый подвал. Обе стороны несли большие потери.
14 ноября немецкое командование предприняло последнюю попытку овладеть городом. Немцам удалось занять южную часть завода «Баррикады» и южнее его на узком участке пробиться к Волге. Но это был последний успех противника. Оборонительный этап Сталинградской битвы закончился. В ходе его немецкие войска потеряли около 700 тысяч убитыми и ранеными, свыше 2 тысяч орудий и минометов, более одной тысячи танков и штурмовых орудий и свыше 1,4 тысячи боевых и транспортных самолетов. (Великая Отечественная Война. 1941–1945. Энциклопедия. С. 683.) Велики были и потери советских войск — 643 842 солдата и офицера, из них безвозвратные потери составили около 324 тысяч человек. (Гриф секретности снят. М., 1993. С. 179.) Но немецким войскам не удалось полностью захватить город. Их наступательные возможности были исчерпаны. Сталинград был удержан советскими войсками, создались условия для перехода их в решительное контрнаступление.
Стратегическая наступательная операция советских войск по окружению и разгрому войск противника под Сталинградом длилась с 19 ноября 1942 года по 2 февраля 1943 года. План контрнаступления («Уран») был разработан в ходе оборонительной операции. Большую роль в его разработке и осуществлении сыграли представители Ставки ВГК генерал армии Г. К. Жуков и генерал-полковник А. М. Василевский. План контрнаступления состоял в том, чтобы ударами с плацдармов на Дон в районах Серафимовичи и Клетской и из района Сарпинских озёр, южнее Сталинграда разгромить войска, прикрывающие фланги ударной группировки противника, и, развивая наступление на Калач, Советский, окружить и уничтожить его главные силы, действующие непосредственно под Сталинградом. (Великая Отечественная война 1941–1945. Энциклопедия. С. 683.) Непосредственная подготовка контрнаступления началась в первой половине октября 1942 года. К началу контрнаступления на сталинградском направлении были разве нуты войска Юго-Западного, Донского и Сталинградского фронтов, насчитывающие всего 1106,1 тысячи человек, 15 501 орудий и минометов, 1463 танков и самоходно-артиллерийских орудий, 1350 боевых самолетов. Им противостояли итальянская 8-я, румынская 3-я армия, немецкая 6-я полевая и 4-я танковая и румынская 4-я армии группы армий «Б» (генерал-полковник М. Вейхс), насчитывающие 10 290 орудий и минометов, 675 танков и штурмовых орудий, 1216 боевых самолетов. Таким образом, соотношение сил составляло: по личному составу 1,1:1, по орудиям и минометам 1,5:1, по танкам и штурмовым орудиям 2,2:1 и по боевым самолетам 1,1:1 в пользу советских войск.