В течение двух месяцев 6-я немецкая армия захватывала все новые кварталы Сталинграда, в ожесточенных боях оттесняя советские войска к Волге. Советское резервы перемалывались в боях, но остановить врага не могли. Потери советских войск при переправе через Волгу составляли до 40 % убитых и раненых.
В Сталинграде боролись друг с другом штурмовые группы. Бои шли за отдельное здание, иногда за этаж. Тактику штурмовых групп первыми применили немцы. А вот войска советских 62-й и 64-й армий действовали в городе так же, как и в полевых боях, пытаясь даже применять в значительном количестве танки, тогда как немцы даже не вводили танки в город, поскольку они там были очень уязвимы. Лишь небольшое число одиночных штурмовых орудий использовалось в составе штурмовых групп.
Лишь к концу октября войска 62-й армии начали перенимать немецкую тактику и создавать штурмовые группы, которые, однако, действовали не столь успешно, как немецкие, из-за более низкой боевой подготовки красноармейцев.
В течение сентября – октября обе стороны стягивали подкрепления. У группы армий «Б» резервов не было. Она получала лишь небольшие маршевые пополнения. Из частей, расположенных вне Сталинграда, изымались саперные части, столь необходимые в уличных боях. Танковые и моторизованные дивизии обеспечивали фланги за пределами Сталинграда.
12 сентября советские войска отошли на городской оборонительный обвод. В составе 62-й армии генерал-лейтенанта В. И. Чуйкова в тот момент было 11 стрелковых дивизий (33-я, 35-я гвардейские, 87-я, 98-я, 112-я, 131-я, 195-я, 229-я, 244-я, 315-я, 399-я), семь стрелковых бригад (10-я, 35-я, 42-я, 115-я, 124-я, 129-я, 149-я), 23-й танковый корпус (27-я, 35-я, 189-я танковые, 9-я мотострелковая бригады), 29-я истребительная бригада, 115-й УР, 12 артиллерийских и минометных полков. Войска армии удерживали рубеж Рынок, Головка, Купоросное.
64-я армия под командованием генерал-майора М. С. Шумилова обороняла южную часть города на рубеже Купоросное – Ивановка. Она имела в своем составе 36-ю и 38-ю гвардейские, 126-ю,133-ю,157-ю,29-ю,204-ю стрелковые дивизии, 66-ю и 154-ю морские стрелковые бригады, полки курсантов Краснодарского и Винницкого пехотных училищ, 118-й УР, 13-й танковый корпус, 14 артиллерийских и минометных полков.
Глубина советской обороны составляла всего 10–12 км. Западнее города находились занятые немцами командные высоты, с которых просматривался весь город и переправы через Волгу.
Работы по сооружению оборонительных рубежей не были завершены, поэтому долговременных оборонительных сооружений в районе Сталинграда были единицы.
Для обороны восточного берега Волги предназначался 2-й танковый корпус, в составе 135-й, 137-й, 155-й, 99-й, 169-й и 254-й танковых бригад. Кроме того, на восточном берегу Волги находилась фронтовая артиллерия.
К Сталинграду немцы вышли 23 августа и завязали бои в районе Тракторного завода, где находился на пополнении 23-й танковый корпус, имевший 195 танков Т-34. Туда были спешно переброшены 10-я стрелковая дивизия НКВД, батальоны рабочего ополчения, 21-й и 28-й учебные танковые батальоны, имевшие 62 танка Т-34. У прорвавшейся к Тракторному заводу немецкой 16-й танковой дивизии – 56 танков. Таким образом, советские войска обладали четырехкратным превосходством в танках. Утром 24 августа оно еще больше возросло, когда в район Тракторного завода были переброшены 99-я танковая бригада, 738-й истребительно-противотанковый артполк и батальон морской пехоты Волжской флотилии. Две другие дивизии германского 14 моторизованного корпуса пришлось использовать для прикрытия с флангов. Поэтому командир 14-го корпуса генерал пехоты Густав фон Витерсгейм малодушно заявил, что не сможет удержать плацдарм под ударами превосходящих советских войск, и предложил отвести войска от Волги. В результате он был заменен генерал-лейтенантом Хансом Хубе, командовавшим 16-й танковой дивизией.
29 августа 14-я танковая и 29-я мотопехотная дивизии немцев прорвали фронт южнее Сталинграда и начали продвигаться к городу с юга. С 1 по 7 сентября по этой группировке проводились плохо организованные контрудары, которые принесли лишь большие потери советским войскам. В 339-й стрелковой дивизии осталось всего 195 штыков, в 112-й – 300 штыков, а в 87-й – 180 штыков. 27-я и 99-я танковые бригады потеряли все танки, а в 189-й бригаде осталось лишь семь танков.
С 12 сентября немецкие войска перешли в наступление на Сталинград одновременно с севера (силами 389-й и 295-й пехотных дивизий) и с юга (силами 24-й и 14-й танковых, 29-й мотопехотной дивизий и 20-й румынской пехотной дивизий). К 14 сентября южная часть Сталинграда была захвачена. Бои развернулись в центре города. Части 14-й танковой и 29-й мотопехотной дивизий овладели станцией Садовая и вышли к западной окраине пригорода Минино.
14 сентября части 295-й пехотной дивизии прорвались в район вокзала Сталинград-1. К исходу дня немецкие части вышли к окраинам поселков Баррикады и Красный Октябрь. 15 сентября в город начали переправляться части 13-й гвардейской стрелковой дивизии генерал-майора А. И. Родимцева, с ходу вступавшие в бой. Два ее батальона дрались за Мамаев Курган.
15 сентября в район Сталинграда также прибыло 20 тыс. человек маршевого пополнения. Кроме того, с 13 по 26 сентября из резерва Ставки в состав Юго-Восточного и Сталинградского фронтов было переброшено 10 стрелковых дивизий, два танковых корпуса и восемь танковых бригад.
16 сентября части германских 71-й пехотной и 14-й танковой дивизий вышли к Волге в районе Купоросное, на стыке 62й и 64-й армий. На следующий день 62-й армии были переданы 92-я стрелковая и 137-я танковая бригады с указанием использовать танковую бригаду на правом фланге 13-й гвардейской стрелковой дивизии, а стрелковую – на левом фланге. 19 сентября 62-я и 64-я армии нанесли контрудары, закончившиеся безрезультатно.
25 сентября в 6-ю армию из 4-й танковой армии были переданы 24-я танковая и 64-я пехотная дивизии. Теперь все войска, штурмовавшие город, подчинялись только штабу 6-й армии. Паулюс произвел перегруппировку. 389-я пехотная дивизия направилась в район Орловки, 295-я пехотная и 100-я легкопехотная дивизии заняли позиции в центре города. 371-я немецкая пехотная дивизия и 20-я румынская пехотная дивизия поменялись местами.
27 сентября немецкое наступление в Сталинграде возобновилось. 71-я пехотная дивизия наступала на поселок Красный Октябрь, а 100-я легкопехотная – на Мамаев Курган. 62-я армия нанесла контрудар силами 23-го танкового корпуса и 95-й, 284-й стрелковых дивизий, что, однако, не помешало 100-й легкопехотной дивизии взять Мамаев Курган, отбросив 95-ю стрелковую дивизию.
Части 295-й и 71-й пехотных дивизий наступали севернее и южнее устья реки Царица. 42-я и 92-я стрелковые бригады и 272-й полк 10-й дивизии НКВД понесли большие потери и стали беспорядочно отходить. Отдельные группы красноармейцев начали переправляться на левый берег Волги. Немцы захватили участок волжского берега южнее реки Царица протяженностью около 10 км.
Для усиления Сталинградского фронта из резерва Ставки началась срочная переброска 159-го УРа (12 пулеметно-артиллерийских батальонов), 7-го стрелкового корпуса (93-я, 96-я и 97-я стрелковые бригады), 84-й и 90-й бригад. В район 70–80 км юго– западнее Камышина были сосредоточены 87-я и 315-я стрелковые дивизии, призванные восполнить понесенные в уличных боях тяжелые потери.