Hồng quân Xô Viết hiểu rõ mối đe dọa và ý đồ của quân Đức, vì vậy họ nhanh chóng chuyển toàn bộ số lương thực, gia súc và các đầu máy, toa xe lửa,... của thành phố Stalingrad sang bờ bên kia sông Volga để những thứ này không lọt vào tay phát xít Đức. Tuy nhiên việc này khiến thành phố lâm vào tình trạng thiếu lương thực ngay từ trước khi quân Đức tấn công. Một số nhà máy trong thành phố vẫn tiếp tục sản xuất, chủ yếu là các nhà máy xe tăng T-34. Trước khi lục quân Đức tiến tới Stalingrad, không quân phát xít Đức Luftwaffe đã tiến hành không kích các vị trí trên sông Volga - con đường tiếp vận quan trọng cho Stalingrad - nhằm phá hoại khả năng tiếp vận đường thủy của Hồng quân Xô Viết. Từ ngày 25 đến ngày 31 tháng 7 năm 1942 đã có 32 tàu thủy của Liên Xô bị phá hủy và 9 chiếc khác bị phá hỏng nặng nề.[34]:69

Trận công kích Stalingrad mở đầu bằng một cuộc oanh kích của Tập đoàn quân Không quân số 4 (Luftflotte 4) do Thượng tướng Wolfram von Richthofen chỉ huy - đây là tập đoàn quân không quân mạnh nhất thế giới thời bấy giờ. Một nghìn tấn bom đã được dội xuống thành phố.[34]:122 Stalingrad nhanh chóng bị biến thành đống gạch vụn dưới trận cuồng phong bom đạn của quân Đức, mặc dù một số nhà máy vẫn còn hoạt động và các công nhân cũng trực tiếp tham gia chiến đấu. Trung đoàn viện binh Croatia số 369 là lực lượng quân chư hầu duy nhất[35] được tung vào Stalingrad trong đợt công kích thành phố. Nó chiến đấu với vai trò như một phần của sư đoàn Jäger số 100.

Một binh sĩ Đức với khẩu súng tiểu liên chiến lợi phẩm PPSh-41 lấy được của Liên Xô.

I. V. Stalin lập tức điều động tất cả các lực lượng Hồng quân - mà ông có thể điều được - đến tác chiến tại khu vực bờ đông sông Volga, trong đó có một số vốn đóng ở xa tít tắp tận Xibia. Lúc đó thì toàn bộ số phà chở quân đã bị không quân Đức ném bom phá hủy, vì vậy binh lính được kéo bằng dây thừng từ bờ bên này sang bờ bên kia sông Volga. Nhiều thường dân cũng được di tản sang bên kia sông.[32] Có tài liệu cho rằng Stalin đã cấm các thường dân rời thành phố vì ông tin rằng sự hiện diện của dân thường sẽ củng cố tinh thần chiến đấu cho các binh sĩ Hồng quân tại đây.[33]:106 Nhân dân trong thành phố, gồm cả phụ nữ và trẻ em tham gia vào việc đào hào và xây dựng công sự. Cùng thời gian đó, một trận không kích lớn của phát xít Đức vào ngày 23 tháng 8 đã cướp đi sinh mạng của hàng nghìn người và biến thành phố Stalingrad thành một mớ ngổn ngang những đống đổ nát cùng những ngôi nhà bị thiêu rụi.:102-108 90% của khu dân cư tại Voroshilovsky bị phá hủy. Từ ngày 23 đến 26 tháng 8, các báo cáo của Liên Xô cho rằng đã có 955 người bị giết và 1.181 người bị thương do hậu quả của các đợt mưa bom do quân Đức gây ra.[34]:73 Có ý kiến cho rằng con số 4 vạn dân thường thương vong là phóng đại,[36] và kể từ sau ngày 25 tháng 8 thì Liên Xô không có bất cứ ghi chép nào về thương vong do các trận ném bom của Đức gây ra.[37]

Lực lượng Không quân Xô Viết (Voenno-Vozdushnye Sily - VVS) lúc này hoàn toàn bị không quân Đức Luftwaffe áp đảo. Trong các ngày 23-31 tháng 8, Hồng quân đã mất đến 201 máy bay, và mặc dù họ nhận được 100 máy bay trong tháng đó nhưng số máy bay còn sử dụng được chỉ là 192 chiếc, trong số đó 57 chiếc là máy bay tiêm kích.[34]:74 Hồng quân tiếp tục tổ chức các đợt tiếp vận bằng đường không vào thành phố nhưng với việc quân Đức làm chủ bầu trời thì phải nói tổn thất của Hồng quân là không hề nhỏ. Tuy nhiên, nhờ việc các cơ sở sản xuất công nghiệp của Liên Xô đã được di dời an toàn về hậu phương, người dân Xô Viết đã có thể sản xuất được 15.800 máy bay trong nửa sau của năm 1942. Không quân Xô Viết lúc này đã có thể tích lũy một lực lượng dự bị mạnh để sau này họ hoàn toàn áp đảo đối thủ Luftwaffe.[34]:86

Hồng quân đang chuẩn bị đối phó với một cuộc tấn công của quân Đức vào ngoại ô.

Vì vậy, vào đầu chiến dịch gánh nặng của việc bảo vệ thành phố nằm trong tay của Trung đoàn phòng không số 1077, một đơn vị tác chiến với quân lực chủ yếu là những nữ tình nguyện viên trẻ - do Hồng quân đang thiếu hụt nặng về binh lực - không có bất kỳ kinh nghiệm chiến đấu nào và cũng hầu như không nhận được bất kỳ sự hỗ trợ khả dụng nào từ các đơn vị khác. Mặc dù vậy, trung đoàn vẫn giữ vững vị trí và quả cảm đối đầu với các đoàn xe tăng dũng mãnh của Đức. Sư đoàn thiết giáp số 16 (Đức) báo cáo rằng họ phải đánh nhau kịch liệt với trung đoàn số 1077 cho đến khi toàn bộ lực lượng Xô Viết bị tiêu diệt hoặc áp đảo. Về sau, người Đức đã bị sốc nặng khi biết rằng họ vừa đánh nhau với một trung đoàn gồm phần lớn là phụ nữ.:108[38] Vào đầu trận đánh, Hồng quân Xô Viết đã phải động viên những công nhân - hiện không tham gia trực tiếp vào công việc sản xuất của các nhà máy - vào các đội dân quân. Tại các công xưởng của Stalingrad xe tăng cũng được sản xuất lăn thẳng ra chiến tuyến mà còn chưa được quét sơn và lắp ráp các thiết bị phụ. Những thành viên kíp lái cũng là các công nhân tình nguyện gia nhập lực lượng dân quân bảo vệ thành phố:109-110

Cuối tháng 8, Cụm Tập đoàn quân B đã tiến tới bờ sông Volga tại khu vực phía Bắc Stalingrad. Tiếp đó là một nỗ lực nhằm tiến tới bờ sông ở phía Nam thành phố. Tới ngày 1 tháng 9 Hồng quân chỉ còn có thể tăng viện cho các đơn vị cố thủ trong nội thành bằng cách mạo hiểm tính mạng băng qua sông Volga dưới làn mưa bom đạn dày đặc của phát xít Đức.

Chỉ huy phương diện quân Stalingrad, tướng K. K. Rokossovsky

Ngày 5 tháng 9 năm 1942, Tập đoàn quân số 24 và 66 của Liên Xô mở một đợt công kích nhằm vào Quân đoàn thiết giáp số 14 của Đức. Tuy nhiên không quân Đức đã oanh kích dữ dội các trận địa pháo và phòng tuyến của Hồng quân và buộc họ phải thoái lui mấy giờ sau đó. Thiệt hại của Hồng quân là 30 trong số 120 xe tăng tham gia trận đánh.[34]:75 Thật vậy, các chiến dịch của Hồng quân Xô Viết bị đe dọa nặng nề bởi lực lượng không quân Đức. Ngày 18 tháng 9 năm 1942, Tập đoàn quân cận vệ số 1 và Tập đoàn quân số 24 mở đợt tấn công vào lực lượng của Quân đoàn bộ binh số 7 của Đức tại Kotluban. Quân đoàn không quân số 8 (Đức) đã điều các máy bay ném bom bổ nhào Stuka oanh kích các lực lượng Hồng quân và đẩy lui được họ. Phát xít Đức khẳng định rằng 41 trong số 106 xe tăng Liên Xô trong cuộc tấn công đó đã bị phá hủy, trong khi đó các máy bay tiêm kích Bf 109 đi theo hộ tống đã bắn hạ 77 máy bay Liên Xô.[34]:80 Tập đoàn quân 62 và 64 buộc phải rút lui và bị ép chặt vào thành phố lúc này đã biến thành một pháo đài khổng lồ. Lúc này, ở giữa những đống gạch vụn của một thành phố đổ nát, các tập đoàn quân số 62, 64 và sư đoàn cận vệ số 13 tiếp tục củng cố các vị trí phòng ngự của họ trong từng ngôi nhà, từng công xưởng.

Để chống lại tập đoàn quân xe tăng số 4 của Đức, Hồng quân thành lập phương diện quân Đông Nam (từ sau 28 tháng 9 phương diện quân này đổi tên thành phương diện quân Stalingrad), tư lệnh là thượng tướng A. I. Yeryomenko gồm các tập đoàn quân 64, 57, 51 và tập đoàn quân cận vệ số 1 với tập đoàn quân 64 ở trung tâm phòng ngự. Phương diện quân này phòng ngự tại hướng nam và tây nam Stalingrad. Phương diện quân Đông Nam đã phòng thủ thắng lợi ngày 9 và 10 tháng 8 và phản công mãnh liệt buộc tập đoàn quân xe tăng Đức chuyển sang phòng ngự. Đến 17 tháng 8 tập đoàn quân xe tăng số 4 của Đức đã bị chặn lại tại tuyến phòng ngự vành đai thành phố và đến ngày cuối cùng cũng không thể đột phá được tới sông Volga.

Lính Đức trong trận Stalingrad

Chiến sự diễn ra mãnh liệt và căng thẳng và quyết định nhất là tại cánh bắc và tây bắc nơi đối đầu với tập đoàn quân Đức số 6. Để phòng thủ hướng này Liên Xô thành lập phương diện quân Stalingrad, tư lệnh đầu tiên là nguyên soái Semyon Konstantinovich Timoshenko, từ ngày 23 tháng 7 là trung tướng Vasili Nikolaevich Gordov và sau đó là trung tướng Konstantin Konstantinovich Rokossovsky (từ 28 tháng 9 phương diện quân này đổi tên thành phương diện quân Sông Đông). Trong đó tập đoàn quân 62 là lực lượng chịu áp lực trực tiếp mạnh nhất của quân Đức. Tại đây Tập đoàn quân dã chiến số 6 Đức cố gắng đánh chia cắt tập đoàn quân 62 Xô Viết ra khỏi khối quân còn lại hòng tiêu diệt tập đoàn quân này.

Các trận đánh trong nội đô diễn ra cực kỳ ác liệt và đẫm máu. Cuộc chiến này điển hình của tính chất không khoan nhượng khi cả hai bên không chấp nhận bắt tù binh. Quân Đức một mặt theo lệnh của Führer ("Lãnh tụ", tức Hitler) phải chiếm bằng được thành phố mang tên Stalin biểu tượng của quân thù, mặt khác họ hiểu được tầm quan trọng phải chiếm thành phố làm chỗ trú chân cho mùa đông đang đến gần. Quân Đức tiến công rất mãnh liệt và dũng cảm. Quân Nga Xô Viết cũng tử thủ rất anh hùng và kiên cường, họ đã bị bao vây tất cả các phía, chỉ có thể nhận được tiếp viện bằng tàu bè chạy qua sông lớn Volga.

Để nhấn mạnh tầm quan trọng của việc bảo vệ thành phố và chặn đứng tư tưởng muốn rút lui của một số binh sĩ, I. V. Stalin ban hành mệnh lệnh số 227 vào ngày 27 tháng 7 năm 1942 quy định những binh sĩ và sĩ quan nào tự ý bỏ đi khỏi đơn vị mà không có mệnh lệnh văn bản sẽ bị đưa ra toà án binh. Mệnh lệnh nêu rõ:

“	Có một số người ở ngoài mặt trận ngu ngốc đến mức tự an ủi mình bằng những câu chuyện rằng chúng ta có thể còn phải rút lui xa hơn nữa về phía đông vì chúng ta còn nhiều lãnh thổ rộng lớn, nhiều đất, nhiều dân và lúa mỳ thì bao giờ cũng thừa thãi. Những luận điệu như vậy hoàn toàn giả dối và gian trá, chỉ có lợi cho kẻ thù của chúng ta. Mỗi chỉ huy trưởng, mỗi chiến sĩ Hồng quân, mỗi các bộ chính trị phải hiểu rằng lúa mỳ và phương tiện của chúng ta không phải là vô hạn, lãnh thổ Xô Viết không phải là hoang mạc mà ở đó có nông dân, công nhân, trí thức, cha mẹ, vợ con, anh em chúng ta... Cuộc xâm lược của kẻ thù đã lấy đi của chúng ta hơn 70 triệu dân, trên 800 triệu put lúa mỳ và trên 10 triệu tấn kim loại mỗi năm. Rút lui xa hơn nữa tức là tự giết mình và giết chết cả Tổ quốc của chúng ta. Vì thế, cần phải chấm dứt việc rút lui. Không lùi một bước!	”
— I. V. Stalin, [39]

Các công tác đảng, chính trị được tiến hành tại chiến hào để nâng cao tinh thần binh sĩ mặt khác biện pháp kỷ luật khắt khe nhất được thi hành. Các câu nói như "không lùi một bước", "không có đất cho chúng ta ở bên kia bờ sông Volga" trở thành khẩu hiệu. Trước sức kháng cự kiên cường của Hồng quân, người Đức đã chịu những thiệt hại rất nặng nề khi tiến sâu vào nội đô Stalingrad. Trong trận đánh phòng thủ Stalingrad, nổi bật nhất là tập đoàn quân 62 của Tư lệnh kiêm Trung tướng V. I. Chuikov. Đơn vị này đã kiên trì bám trụ trong thành phố, bảo vệ từng thước đất, từng căn nhà, thực sự theo đúng khẩu hiệu "không lùi một bước".

Hải quân đánh bộ Xô Viết đổ bộ lên bờ tây sông Volga.

Học thuyết quân sự của phát xít Đức lúc đó dựa trên nguyên tắc hợp đồng tác chiến chặt chẽ giữa các binh chủng tăng thiết giáp, bộ binh, pháo binh, công binh và lực lượng máy bay cường kích. Đối phó lại, Hồng quân quyết định sử dụng chiến thuật "đánh áp sát" mà tướng Chuikov gọi là "ôm" lấy quân Đức. Điều này khiến phòng tuyến của quân Đức và của Hồng quân nằm ở các vị trí gần sát nhau, vì vậy nguy cơ quân Đức bị vạ lây bởi hỏa lực của pháo binh và không quân của đồng đội là rất cao - điều này khiến phát xít Đức tỏ ra ngần ngại khi sử dụng pháo binh và không quân, tiến tới vô hiệu hóa ưu thế không quân và làm giảm đáng kể ưu thế của pháo binh Đức. Đồng thời Hồng quân cũng hiểu rõ: kế hoạch phòng ngự tốt nhất là bám trị vững chắc trong các tòa nhà nằm tại các vị trí chiến lược như các quảng trường và các con đường quan trọng, điều này có thể giúp họ bám trụ lâu dài trong thành phố. Vì vậy tất cả các tòa nhà cao tầng, công xưởng, nhà kho, nhà ở góc phố và các tòa nhà công sở đều bị biến thành những lô cốt được trang bị súng máy, súng chống tăng, pháo cối, súng bắn tỉa, được bao bọc bởi các bãi mìn, hàng rào kẽm gai cùng một lực lượng dự bị gồm 5-10 binh sĩ trang bị súng trường, súng tiểu liên và lựu đạn để chiến đấu chống lại những nhóm lính Đức đột kích được vào trong các ngôi nhà.

Chiến sự bùng nổ ác liệt trong toàn thành phố: từng đống đổ nát, từng con đường, từng nhà máy, công xưởng, nhà kho, từng lầu gác đều phải đánh nhau đẫm máu giành đi giật lại nhiều lần. Các cống rãnh cũng là một chiến địa ác liệt nơi các binh sĩ quần nhau trong một mê hồn trận gồm những đường ống cống chằng chịt như mê cung. Phát xít Đức gọi kiểu chiến tranh trong thành thị (urban warfare) này là "chiến tranh chuột cống" (Rattenkrieg), nói một cách nửa đùa nửa thật rằng họ đã đánh chiếm xong nhà bếp trong khi đang phải vất vả giành giật phòng khách với quân địch. Trong một mớ bòng bong như vậy, tất cả các quy tắc của một trận đánh quy ước đều bị phá vỡ; lối tấn công quen thuộc của quân Đức - huy động một lượng lớn các binh đoàn cơ động hỗ trợ bởi tăng thiết giáp - bị thay thế bởi các trận đấu súng không kém phần ác liệt giữa các nhóm nhỏ binh sĩ giữa những đống gạch vụn ngổn ngang của những ngôi nhà, tòa công sở, tầng hầm và những tòa nhà nhiều tầng. Một số tòa nhà cao tầng - bị không quân Đức ném bom tơi tả - trở thành nơi xảy ra các trận giao chiến ác liệt kéo từ tầng này qua tầng khác: quân phát xít Đức và Hồng quân Xô Viết gần như trú đóng trong các tầng xen kẽ nhau và họ bắn nhau qua các lỗ hổng trên sàn và trần nhà.[40]

Ảnh chụp Ngôi nhà Pavlov vào năm 1943

Chiến sự tại đồi Mamayev Kurgan, một cao điểm trong thành phố, diễn ra cực kỳ khốc liệt. Vị trí này đã "đổi chủ" không biết bao nhiêu lần. Đến ngày 12 tháng 9 năm 1942, Tập đoàn quân số 62 của Liên Xô chỉ còn 90 xe tăng, 650 pháo cối và 2 vạn binh sĩ.:128

Sư đoàn Cận vệ số 13 của Hồng quân, đơn vị nhận nhiệm vụ giải phóng đồi Mamayev Kurgan và Nhà ga số một trong ngày 13 tháng 9 năm 1942, chịu nhiều thương vong hết sức khủng khiếp. Hơn 80 phần trăm quân số của họ bị tử trận trong 24 tiếng đồng hồ đầu tiên và chỉ có 320 người trong số 1 vạn sĩ quan, binh sĩ của sư đoàn còn lành lặn sau trận đánh.:135 Sư đoàn đã hoàn thành nhiệm vụ được giao trong ngày 13 tháng 9, nhưng chỉ là tạm thời. Thật vậy, nhà ga xe lửa đã "đổi chủ" suốt 14 lần chỉ trong 6 giờ đồng hồ. Đến chiều tối hôm sau, hầu hết Sư đoàn Cận vệ số 13 đã nằm lại trận địa, bên cạnh đó là ngổn ngang xác chết của một số lượng tương đương lính Đức.

Chiến sự cũng bùng nổ ác liệt tại kho thóc lớn trong thành phố suốt nhiều tuần liên tiếp. Sau khi vị trí này thất thủ, phát xít Đức chỉ tìm thấy thi thể của bốn mươi chiến sĩ Hồng quân - trong khi họ cho rằng phải có rất nhiều binh lính đóng trong kho thóc vì người Đức đã vấp phải sức kháng cự hết sức quyết liệt. Những đống thóc lúa lớn đã bị đốt sạch để không lọt vào tay quân xâm lược. Ở một nơi khác trong thành phố, một trung đội Hồng quân dưới sự chỉ huy của Y. F. Pavlov đã biến một căn hộ chung cư nhìn ra quảng trường mùng 9 tháng 1 thành một pháo đài kiên cố mang tên "ngôi nhà Pavlov". Ngôi nhà được bao bọc bởi hàng rào kẽm gai, mìn cùng với các ụ súng máy trên cửa sổ. Hồng quân cũng đục thủng các bức tường trong tầng hầm nhằm tiện cho việc liên lạc.:198 Mười thường dân đã được Hồng quân tìm thấy ẩn nấp trong tầng hầm này. Suốt hai tuần liền đội quân của Pavlov liên tục bị quân phát xít Đức công kích và nhận được sự tiếp viện rất hạn chế do bị kẻ thù phong tỏa. Sau trận đánh, Tư lệnh V. I. Chuikov thường đùa rằng quân Đức chịu nhiều thương vong để đánh chiếm căn nhà của Pavlov hơn là để chiếm Paris. Theo Beevor, trong suốt tháng thứ hai, sau mỗi lần đẩy lui các đợt tấn công của lính Đức, đội quân của Pavlov buộc phải tất tả chạy ra "dọn dẹp" hàng đống xác chết ngổn ngang của quân xâm lược nằm chắn tầm nhìn của các binh sĩ súng máy và pháo thủ pháo chống tăng. Trên bản đồ của quân phát xít Đức, ngôi nhà vốn để ở này được đánh dấu như một Pháo đài (Festung). Y. F. Pavlov đã được phong tặng danh hiệu Anh hùng Liên bang Xô Viết do công lao chỉ huy các binh sĩ bảo vệ cứ điểm này.

Máy bay tiêm kích I-16 của Không quân Xô Viết hoạt động trên vùng trời Stalingrad

Với tình hình bế tắc trước mắt, quân Đức bắt đầu chuyển những khẩu pháo hạng nặng vào nội đô thành phố, trong đó bao gồm cả khẩu siêu pháo Dora cỡ nòng 800 ly to đến mức phải được đặt trên một toa xe lửa. Tuy nhiên họ không dự định đem quân vượt sông Volga, tạo điều kiện cho Hồng quân bố trí một số lớn pháo binh ở bờ đông dòng sông và từ đó oanh kích các trận địa của quân Đức. Các đoàn xe tăng dũng mãnh của Đức trở nên vô tác dụng trong những đường phố chật chội với hàng đống gạch đá ngổn ngang có khi cao đến 8 mét.

Những binh sĩ bắn tỉa của cả hai phe cũng gây nhiều thiệt hại cho quân địch. Chiến sĩ bắn tỉa thành công nhất và cũng nổi tiếng nhất của trận đánh này là V. G. Zaytsev với thành tích bắn hạ 242[41] đến 400[42] binh sĩ và sĩ quan (đã được kiểm chứng) Đức trong trận đánh. Ông cũng là một trong những binh sĩ bắn tỉa đã đào tạo hơn 30 học viên với tổng thành tích bắn hạ 3 nghìn lính Đức. Tương truyền, ông cũng là người đã bắn hạ người lính bắn tỉa lừng danh Erwin König của phát xít Đức, dù nhiều ý kiến cho rằng đây chỉ là một nhân vật hư cấu. Trong giai đoạn cuối trận đánh, Zaytsev bị thương do trúng mảnh đạn pháo, ông được giải ngũ và trở về hậu phương làm công tác huấn luyện thế hệ lính bắn tỉa tiếp theo. Về sau Zaytsev đã được phong tặng danh hiệu Anh hùng Liên bang Xô Viết vì kỳ công của ông trong trận này.

Đối với cả Stalin và Hitler, Stalingrad nhiều khi trở thành một trận đánh mang ý nghĩa tinh thần và danh dự nhiều hơn là một trận chiến giành lấy một thành phố có vị trí chiến lược. Bộ Tổng tư lệnh tối cao STAVKA đã điều động rất nhiều đơn vị dự bị chiến lược từ khu vực Moskva về hạ lưu sông Volga và tập trung một lượng lớn máy bay từ toàn đất nước về khu vực chung quanh Stalingrad.

Các chỉ huy cấp cao của hai phe cũng chịu nhiều áp lực nặng nề: mắt của Paulus bắt đầu mắc phải tật máy giật khiến phần bên trái của mặt ông chịu nhiều đau đớn, còn Chuikov thì bị chàm bội nhiễm khiển đôi bàn tay của ông luôn luôn bị băng bó kín mít. Các binh sĩ của hai phe thì ngày nào cũng phải trải qua những trận cận chiến cực kì ác liệt và căng thẳng.

Với quyết tâm hủy diệt toàn bộ sức kháng cự của Hồng quân, các phi đội máy bay Stuka của Tập đoàn quân Không quân số 4 đã thực hiện tổng cộng 900 lần bay nhằm không kích các cứ điểm của Hồng quân tại Nhà máy máy kéo Felix Dzerzhinskiy vào ngày 5 tháng 10 năm 1942. Một vài trung đoàn Xô Viết bị đánh tan, riêng toàn bộ binh sĩ và sĩ quan của Trung đoàn bộ binh số 339 đã vĩnh viễn nằm lại trận địa sau đợt không kích vào sáng ngày 6 tháng 10.[34]:83

Xe tăng Đức bị tiêu diệt trong giai đoạn phòng thủ Stalingrad. Tháng 10 năm 1942

Đến trung tuần tháng 10, Không quân phát xít Đức càng lúc càng tăng cường các hoạt động oanh tạc các đơn vị Hồng quân đang tử thủ tại bờ Tây sông Volga. Đến lúc này, các lực lượng phòng không và không quân Xô Viết đã hoàn toàn bị áp đảo. Tập đoàn quân Không quân số 4 đã thực hiện 2 nghìn lượt bay trong ngày 14 tháng 10 và dội 600 tấn bom vào các vị trí của Hồng quân xung quanh ba nhà máy ở phía Bắc Stalingrad. Các đơn vị máy bay ném bom Stuka số 1, 2, và 77 đã dập tắt hỏa lực của các khẩu đội pháo Hồng quân tại bờ Đông sông Volga trước khi chuyển sang "thanh toán" các đội tàu đang vượt sông để tiếp viện cho số Hồng quân ở phía Bắc thành phố. Tập đoàn quân số 62 đã bị cắt làm đôi - do hệ thống tiếp vận qua sông Volga bị không quân Đức phá hoại nghiêm trọng - gần như bị tê liệt.

Lúc này, Hồng quân Xô Viết đã bị dồn vào một dải đất dài 1.000 thước Anh (910 m) dọc bờ sông Volga. Các đội bay Stuka của không quân Đức đã thực thi 1.208 lượt ném bom với quyết tâm thanh toán ổ kháng cự cuối cùng của Hồng quân trong thành phố.[34]:84 Tuy nhiên, bất chấp những trận mưa bom mà phát xít Đức trút lên đầu họ (Stalingrad đã chịu sự oanh tạc dữ dội hơn cả Sedan hay Sevastopol), Tập đoàn quân số 62 với 47 nghìn binh sĩ còn lại vẫn đứng vững và quyết không để bất cứ binh sĩ nào của các tập đoàn quân số 6 và tập đoàn quân thiết giáp số 4 (Đức) chạm được tới bờ sông Volga.

Máy bay ném bom bổ nhào Junkers Ju 87 Stuka đang oanh tạc Stalingrad.

Không quân đức vẫn chiếm ưu thế trên không cho đến tận đầu tháng 11 năm 1942 và sức kháng cự của không quân Xô Viết tại đây gần như là không đáng kể, tuy nhiên sau khi thực hiện gần 2 vạn lượt bay thì số máy bay của Đức cũng bị thiệt hại đáng kể: giảm từ 1.600 chiếc xuống còn 950 chiếc; đặc biệt lực lượng máy bay ném bom (Kampfwaffe) bị thiệt hại nặng nhất, chỉ còn 232 chiếc phi cơ so với 480 chiếc lúc đầu.[3]:95 Người Đức đã nắm giữ ưu thế về chất lượng so với đối thủ Không quân Xô Viết và 80% sức mạnh không quân Đức đã được tập trung ở mặt trận Xô-Đức; có điều Tập đoàn quân Không quân số 4 đã không thể ngăn chặn nổi đà phát triển của không quân Xô Viết: đến đầu trận phản công Stalingrad, không quân Xô Viết đã áp đảo không quân Đức về số lượng.

Các lực lượng máy bay ném bom của không quân Xô Viết (Aviatsiya Dal'nego Deystviya - ADD), đã chịu nhiều thiệt hại suốt 18 tháng vừa qua, vì vậy họ chủ yếu chỉ thực hiện các đợt oanh tạc vào ban đêm. Tổng cộng Hồng quân đã thực hiện 11.317 đợt oanh kích (đêm) vào khu vực giữa Stalingrad và sông Đông từ ngày 17 tháng 7 đến 19 tháng 11. Do ném vào ban đêm nên các đợt không kích này chủ yếu nhằm gây hoảng loạn chứ không đem lại thiệt hại gì nhiều cho quân Đức.[34]:82[43]

Tình thế của không quân Đức dần trở nên tồi tệ vào giữa tháng 11. Ngày 8 tháng 11 nắm 1942, một lượng lớn máy bay Đức thuộc Tập đoàn quân Không quân số 4 bị điều tới Bắc Phi khi quân Anh-Mỹ đổ bộ lên Bắc Phi. Lúc này không quân phát xít Đức bị dàn quá mỏng trên toàn châu Âu và phải vất vả duy trì sức mạnh của họ ở khu vực phía Nam của mặt trận Xô-Đức.[44] Trong khi đó, Hồng quân lại nhận được viện trợ của Hoa Kỳ theo chương trình Cho vay-Cho thuê. Trong quý 4/1942, Hoa Kỳ đã viện trợ 6 vạn xe tải, 11 nghìn xe jeep, 2 triệu đôi ủng, 5 vạn tấn thuốc nổ, 45 vạn tấn thép và 25 vạn tấn nhiên liệu dành cho hàng không.[45] Tuy nhiên, do sự phá hoại của các tàu ngầm Đức (ví dụ như trong trận Convoy PQ-17), một phần lớn số hàng này đã làm mồi cho cá[cần dẫn nguồn].

Cuối cùng, sau 3 tháng chiến đấu ác liệt, ngày 15 tháng 10 quân Đức ngay trong thành phố đột phá được tới bờ sông Volga tại phía nam nhà máy Barrikada, chiếm đóng 90% thành phố và cắt lực lượng Hồng quân trong nội đô làm hai "cái túi" lớn. Lúc này, mùa đông của nước Nga đã làm dòng sông Volga đóng băng và ngăn cản việc tiếp vận đường thủy của Hồng quân, tuy nhiên ở đồi Mamayev Kurgan và trong các nhà máy ở phía Bắc của thành phố, chiến sự vẫn diễn ra với cường độ và sự ác liệt không hề suy giảm. Những trận đánh tại Nhà máy thép Tháng Mười Đỏ, Nhà máy máy kéo Felix Dzerzhinsky, công xưởng vũ khí Barrikada trở nên lừng tiếng. Và việc tiến tới bờ sông Volga đã là nỗ lực cuối cùng của phát xít Đức: cũng chính vào lúc này sức mạnh tiến công của quân đội Đức đã cạn kiệt. Chiến sự đi vào ổn định - quân Đức đã đi quá xa nguồn tiếp ứng của mình và việc đánh nhau trong thành phố không phải là lợi thế của quân tấn công: quân Đức đã mất hết lợi thế hoả lực và tấn công cơ động. Tổng cộng tính từ tháng 7 đến tháng 11 năm 1942, tại các mặt trận sông Đông, sông Volga và Stalingrad, quân Đức đã mất 60 vạn người, 1 nghìn xe tăng cùng nhiều trang thiết bị khác và lâm vào tình thế hết sức khó khăn.

Trong giai đoạn này, Stalingrad đã trở thành một "Verdun" của Chiến tranh thế giới thứ hai.