军在韦尔加奇和彼斯科瓦特卡地段的防线，强渡顿河，占领了卡拉奇。23日第14装甲军推进到斯大林格勒北郊的叶尔佐夫卡地域，前出到伏尔加河，将苏第62集团军与斯大林格勒方面军主力分割开来。霍特第4装甲集团军从南面的阿勃加涅罗沃地区向北进攻，突破了苏第64集团军的防御，29日进至城南的加夫里洛夫卡地域，其前锋已前出到京古塔车站。保卢斯第6集团军右翼与霍特第4装甲集团军左翼在旧罗加奇克地区取得了联系。与此同时，德军第4航空队出动飞机几百架，入夜又出动2000架次飞机对斯大林格勒进行狂轰滥炸。

鉴于斯大林格勒异常严峻的形势，斯大林任命朱可夫为最高副统帅。并决定立即调拨第24、第66集团军和近卫第1集团军开赴斯大林格勒。

8月29日，朱可夫飞到斯大林格勒并着手组织第24、第66集团军和近卫第1集团军的反击行动。斯大林致电朱可夫要求立即对斯大林格勒进行突击，以缓解当地紧张局势。

9月5日拂晓。朱可夫将3个新锐集团军投入反击。由于准备仓促，反击未达到预期目标。当晚。斯大林命令朱可夫继续冲击。6日，苏军再次发动进攻，再次失败。10日，苏军试图从北面实施突击，恢复同第62集团军的联系，又遭到失败。12日，苏军撤至市区围廓，外围防御地带已全部丧失，德军突破斯大林格勒城防，从南面突进到伏尔加河，把守卫城市的第62集团军同战场上的其他部队分隔开来。

斯大林格勒方向上的同盟国部队共有50多个师，其中直接进攻斯大林格勒的有13个师，17万多人。而苏军斯大林格勒方面军和东南方面军虽有120个师，但人员缺额严重，实际防守斯大林格勒的是第62和64集团军，共有9万余人，1000余门火炮，120辆坦克。

9月13日，德军开始攻城。而在此之前，德军Ju-88式轰炸机用燃烧弹将市区炸成废墟，伏尔加河沿岸对斯大林格勒的水路增援也受到影响。保卢斯第6集团军担当主力，从城北实施猛烈突击。霍特第4装甲集团军则从城南推进，策应保卢斯在城北的主攻。苏军崔可夫中将指挥的第62集团军和舒米洛夫少将指挥的第64集团军受领了保卫斯大林格勒市区的任务。

14日，德军从城北突入市区，与苏第62集团军展开了激烈的巷战，双方逐街逐楼逐屋反复争夺。斯大林格勒变成了一片瓦砾场，城中80%的居住区被摧毁。在满是瓦砾和废墟的城中，苏联第62集团军顽强抵抗，在城中的每条街道，每座楼房，每家工厂内都发生了激烈的枪战。攻入城中的德军死伤人数不断增加。尽管德军对伏尔加河东岸进行频繁的轰炸，但是苏军还是从那里得到了不断的补给和支持。刚刚赶赴城中的红军战士的平均存活时间不超过24个小时，军官也只有约三天的平均存活时间。德军的主要战术是各兵种联合作战，非常重视步兵、工程部队、炮兵和空军的地面轰炸的协调。为了对抗这种战术，苏军指挥官采取了贴身紧逼的策略，尽量将己方的前线与德军贴近。这样导致了德军的炮兵部队无法发挥远程攻击的优点。

中华帝国志愿军飞虎队出动五十架A5夜间双座强击机投入对斯大林格勒战役的支援行动，给入城德军坦克以重大杀伤。同时，苏军当中的中械部队多配备有反坦克火箭筒和反坦克狙击步枪，这些在莫斯科保卫战中已经发挥了巨大的作用，此时同样被苏军拿来使用，效果亦非常明显。打退了德军坦克部队的多次进攻。

9月15日。德军对马马耶夫高地实施重点突击。该高地是斯大林格勒城中的制高点，从这里可以俯瞰和控制全城，崔可夫中将的第62集团军司令部即设在这里。经过一天最为残酷的战斗。德军占领了马马耶夫高地。

但在16日晚上，中华帝国的A5夜间攻击机再次来袭，给德军以重创。随后苏近卫第13师渡过伏尔加河进入斯大林格勒，突然向德军发起反冲击，又夺回了该高地。