面對嚴峻的局面蘇聯方面也在不斷地調整部署，8月5日，蘇軍最高統帥部決定將斯大林格勒方面軍改組爲東南、斯大林格勒兩個方面軍，由華西列夫斯基上將統一指揮，東南方面軍由葉廖緬科上將指揮，編成內有第64、第57、第51集團軍，以及坦克第1集團軍、坦克第13軍和空軍第8集團軍，斯大林格勒方面軍仍由戈爾多夫中將指揮，編成內有第21、第62、第63集團軍，以及坦克第4集團軍、坦克第28軍和空軍第16集團軍。
在蘇聯軍隊進行調整的時候，德軍的軍隊也進行了一定的戰術調整，在8月19日，保盧斯和霍特重新發起了進攻，保盧斯第6集團軍從斯大林格勒西北面的特列赫奧斯特羅夫卡亞向東南攻擊，22日突破蘇第62集團軍在韋爾加奇和彼斯科瓦特卡地段的防線，強渡頓河，佔領了卡拉奇，23日第14裝甲軍推進到斯大林格勒北郊的葉爾佐夫卡地域，前出到伏爾加河，將蘇第62集團軍與斯大林格勒方面軍主力分割開來，霍特第4裝甲集團軍從南面的阿勃加涅羅沃地區向北進攻，突破了蘇第64集團軍的防禦，29日進至城南的加夫裡洛夫卡地域，其前鋒已前出到京古塔車站，9月2日，保盧斯第6集團軍右翼與霍特第4裝甲集團軍左翼在舊羅加奇克地區取得了聯繫，與此同時，德軍第4航空隊出動飛機幾百架，入夜又出動2000架次飛機對斯大林格勒進行狂轟濫炸。
德軍的攻勢經過一段時間的短暫停滯時候，再次爆發出了原本應該有的犀利，在這種情況下，鑑於斯大林格勒異常嚴峻的形勢，斯大林任命朱可夫爲最高副統帥，並決定立即調撥第24、第66集團軍和近衛第1集團軍開赴斯大林格勒，朱可夫再次成爲了萬能的救火員，那裡展現快崩潰的時候，總有它的出現，8月29日，朱可夫飛到斯大林格勒並着手組織第24、第66集團軍和近衛第1集團軍的反擊行動，9月3日，斯大林致電朱可夫要求立即對斯大林格勒進行突擊，以緩解當地緊張局勢。
9月5日拂曉，朱可夫將3個新銳集團軍投入反擊，由於準備倉促，反擊未達到預期目標，當晚，斯大林命令朱可夫繼續衝擊，9月6日，蘇軍再次發動進攻，再次失敗，9月10日，蘇軍試圖從北面實施突擊，恢復同第62集團軍的聯繫，又遭到失敗，9月12日，蘇軍撤至市區圍廓，外圍防禦地帶已全部喪失，德軍突破斯大林格勒城防，從南面突進到伏爾加河，把守衛城市的第62集團軍同戰場上的其他部隊分隔開來，這次萬能的救火隊員朱可夫同志的目的沒有達到，不是德軍的戰鬥力突然強大了好多，實在是戰爭到現在蘇聯軍隊的裡面的老兵已經屈指可數了。
不過這樣導師的德軍的行動多少受到了一點影響，在高加索方向，利斯特a集團軍羣以高速前進，8月9日，克萊斯特第1裝甲集團軍佔領了邁柯普油田，8月22日，克萊斯特的士兵在海拔18526英尺的厄爾魯斯山峰上升起了第三帝國的萬字旗，8月25日，克萊斯特部又攻佔了莫茲多克，距格羅茲尼四周的蘇聯最大產油中心只有50英里，距裡海也只有100英里，8月31日，希特勒要求a集團軍羣司令利斯特元帥傾其所有的力量向格羅茲尼作最後進攻，儘快拿下油田，但德軍衝擊力迅速下降，進展緩慢，9月9日，希特勒免去了利斯特元帥的a集團軍羣司令的職務，由第1裝甲集團軍司令克萊斯特上將接任，第1裝甲集團軍司令則由麥肯森將軍繼任。
克萊斯特上任後。雖然竭盡全力，也無法再前進一步，因爲衝擊力喪失的主要原因是缺乏燃油，戰爭打到這種情況下德意志的燃油儲備已經不多，如果不是從遙遠的東方靠潛艇運來了一些，恐怕還沒有這樣的成果，但是這只是杯水車薪，潛艇才能運多少。
前線的進攻放緩讓希特勒心急如焚，9月12日，希特勒從東普魯士飛抵烏克蘭的文尼察，召見了b集團軍羣司令魏克斯上將和第6集團軍司令保盧斯上將，命令他們於9月13日對斯大林格勒發起新的進攻，並決定從因爲補給困難導致燃油緊缺而進攻無望的高加索方向抽調9個師加強給第6集團軍。
進過一段緊張的戰略調整，斯大林格勒方向上的德國及其盟國部隊共有50多個師，其中直接進攻斯大林格勒的有13個師，17萬人，而蘇軍斯大林格勒方面軍和東南方面軍雖有120個師但人員缺額嚴重，實際防守斯大林格勒的是第62和64集團軍，共有9萬餘人，1000餘門火炮，120輛坦克。
9月13日，德軍開始攻城，保盧斯第6集團軍擔當主力，從城北實施猛烈突擊，霍特第4裝甲集團軍則從城南推進，策應保盧斯在城北的主攻，蘇軍崔可夫中將指揮的第62集團軍和舒米洛夫少將指揮的第64集團軍受領了保衛斯大林格勒市區的任務。
14日，德軍從城北突入市區，與蘇第62集團軍展開了激烈的巷戰，雙方逐街逐樓逐屋反覆爭奪，斯大林格勒變成了一片瓦礫場，城中80%的居住區被摧毀，在滿是瓦礫和廢墟的城中，在蘇聯最高統帥部的“後退一步就槍斃”的嚴令下，蘇聯第62集團軍頑強抵抗，在城中的每條街道，每座樓房，每家工廠內都發生了激烈的槍戰，攻入城中的德軍死傷人數不斷增加，儘管德軍對伏爾加河東岸進行頻繁的轟炸，但是由於實現的均沒有切斷蘇聯軍隊的補給線，所以蘇軍還是從那裡得到了不斷的補給和支持，剛剛趕赴城中的紅軍戰士的平均存活時間不超過24個小時，軍官也只有約三天的平均存活時間，德軍的主要戰術是各兵種聯合作戰，非常重視步兵、工程部隊、炮兵和空軍的地面轟炸的協調，爲了對抗這種戰術，蘇軍指揮官採取了貼身緊逼的策略，儘量將己方的前線與德軍貼近，這就和後世朝鮮戰爭是我軍採取夜戰和擁有高技術兵器的美軍作戰一樣，以己之長擊敵之短，這樣導致了德軍的炮兵部隊無法發揮遠程攻擊的優點。
9月15日，德軍對馬馬耶夫高地實施重點突擊，該高地是斯大林格勒城中的制高點，從這裡可以俯瞰和控制全城，崔可夫中將的第62集團軍司令部即設在這裡，經過一天最爲殘酷的戰鬥，德軍佔領了馬馬耶夫高地，但在16日，蘇近衛第13師渡過伏爾加河進入斯大林格勒，突然向德軍發起反衝擊，又奪回了該高地，很多重要據點雙方進行了反覆爭奪，第一火車站的爭奪戰達一週之久，德軍不顧一切，一步步向市中心逼近。
9月25日，德軍佔領了市中心，27日衝進了北部工廠區，並重新佔領了馬馬耶夫高地，但在29日又被蘇軍奪回，以後的戰鬥更加激烈，兩方軍隊不斷地交替佔領這片高地，斯大林格勒工業區修建在丘陵中，建築物用鋼筋混凝土澆築或用石頭砌成，這樣複雜的地形讓德軍的重型喜歡被和坦克毫無用武之地，德軍只好依靠手裡面的手榴彈迫擊炮來作爲重型武器，在不久前還得到了一批火箭筒，但是數量極少，所以德軍的推進速度很慢，不是用公里，而是用米來衡量。
在戰鬥中，誰對各個戰鬥要點的爭奪非常激烈，甚至一塊兒廢墟都需要往復的爭奪，對火車站反覆爭奪達13次之多，在一個大糧食倉庫裡，兩軍的士兵非常接近，甚至能夠聽到對方的呼吸聲，經過數個星期的苦戰，德軍不得不從這個倉庫撤走，在城中的另一個部分，由揚科夫·巴甫洛夫指揮的一個小分隊（共計6人）佔據了城中心的一座公寓樓，並頑強地進行抵抗，士兵們在大樓附近埋設了大量地雷，並在窗口安設了機槍，還將地下室的隔牆打通以便通訊。
殘淚的巷戰，甚至都已經不能稱之爲巷戰，由於德軍無法看到戰鬥結束的跡象，便開始調遣包括600毫米臼炮等重裝甲部隊開入城內，然而在伏爾加河東岸的蘇聯火炮部隊將德軍置於其炮火籠罩之下，而城中的紅軍防禦部隊仍然利用廢墟進行戰鬥，由於城內佈滿了高達數米的瓦礫堆和廢棄建築，德國的坦克部隊毫無用武之地，此外，這種地形在沒有德軍的重裝甲部隊的威脅下，蘇聯的狙擊手非常成功地利用廢墟作爲掩體，給德軍造成了極大傷亡。
這個時候斯大林格勒的戰事和其他德軍戰線一樣同樣陷入了困境，