Stalin stawał na głowie, aby uniemożliwić wrogowi pokonanie tej przeszkody, wiedział bowiem, że za nią nikt i nic nie będzie go w stanie zatrzymać. Na miejsce nieudolnego Timoszenki mianował dowódcą Frontu Stalingradzkiego gen. Wasilija Gordowa. Później z Frontu Stalingradzkiego wydzielił Front Południowo-Wschodni, a jego komendę powierzył gen. Andriejowi Jeremience. Przegrupowywał siły, tworzył jednostki uderzeniowe, których zadaniem było kontratakowanie, odwoływał dowódców. Nic nie pomagało: czerwonoarmiści wciąż byli w odwrocie.

W tej sytuacji dyktator sięgnął po środek ostateczny: 28 lipca wydał rozkaz nr 227, w którym usankcjonował działalność wojsk NKWD na tyłach wojsk liniowych. Takie rozwiązanie zastosował już 1941 roku, ale dotyczyło ono wówczas paru dywizji Frontu Briańskiego, a teraz objęło całą Armię Czerwoną: enkawudziści mieli rozstrzeliwać „tchórzy” i „panikarzy”, a wobec żołnierzy, którzy wycofywali się lub podczas natarcia zalegali pod ogniem wroga, stosować „wszystkie dostępne środki”, czyli w praktyce strzelać w plecy.

Od 23 sierpnia Luftwaffe dokonywała nalotów na miasto i obróciła je w gruzy. 12 września Niemcy, nacierając na południu wzdłuż linii kolejowej Stalingrad – Rostów nad Donem, a na północy przecinając linię kolejową do Moskwy, dotarli do przedmieść. 13 września rozpoczął się szturm Stalingradu. Gen. Paulus zaatakował dwoma zgrupowaniami: pierwsze, składające się z czterech dywizji piechoty wspartych 250 czołgami, nacierało z rejonu Aleksandrowki na północne dzielnice przemysłowe, a drugie – trzy dywizje piechoty i 100 czołgów – uderzyło spod stacji Sadowa na północny-wschód, w kierunku centrum. Stalingradu broniły wykrwawione armie 62. i 64. pod dowództwem Czujkowa i Szumiłowa. Główny ciężar walk w mieście wziął na siebie Czujkow, którzy dysponował 50 tys. żołnierzy. Szumiłow mógł wystawić do boju ledwie dwie dywizje, więc zajął się obroną południowych przedmieść miasta.

Szybko też się okazało, że walki w mieście nie są mocną stroną Wehrmachtu: bój na zawalonych gruzami ulicach i wewnątrz budynków wykluczał użycie czołgów – wszystko zależało od piechoty. Sytuacja zmieniała się jak w kalejdoskopie, bo walczący jak lwy Rosjanie to, co stracili za dnia, odbijali nocą. 13 września północne zgrupowanie niemieckie zdołało opanować większą część dwóch fabryk w północnych rejonach Stalingradu – Barykad i Czerwonego Października. Jednak w nocy kontrnatarcie Rosjan zmusiło Niemców do wycofania się. Następnego dnia, dzięki wsparciu lotnictwa Wehrmacht ponownie opanował ten teren. Od tej pory niemieckie stukasy, heinkle i dorniery przeprowadzały nieustanne naloty na pozycje sowieckie.

Czujkow, nie dysponując dostateczną ilością myśliwców i dział przeciwlotniczych, obrał chytrą taktykę i nakazał swym oddziałom skracać dystans do stanowisk wroga, co zmusiło niemieckie lotnictwo do ograniczenia rejonów bombardowań, aby nie razić własnych żołnierzy. Dzięki temu czerwonoarmiści toczący zaciekłe boje w północnych dzielnicach, mogli być względnie spokojni, że niemieckie bomby nie spadną im na głowę.

Znacznie gorzej było w południowej części miasta, szczególnie w dzielnicy Krasnosłobodzkiej i na nabrzeżu, na którym wyładowywano dostarczone zza Wołgi zaopatrzenie i uzupełnienia. Ponieważ Niemcy dominowali w powietrzu, dla piechurów i marynarzy Flotylli Wołżańskiej przeprawa na zachodni brzeg rzeki była prawdziwą rosyjską ruletką. Straty podczas przeprawy sięgały 40 proc.

Zabójczą taktyką dla Niemców stały się sowieckie kilkunastoosobowe grupy szturmowe uzbrojone w automaty i granaty oraz dwu-, trzyosobowe zespoły snajperów, które przyczajone na strychach domów lub w ruinach likwidowały żołnierzy wroga (zwłaszcza oficerów) i podrywały morale w oddziałach niemieckich. Nastroje wśród oblegających dobrze oddaje relacja podoficera Aloisa Heimessera: „Stalingrad płonie dniem i nocą. Przeklęte zimno! Wieczorem ogłosili nam „radosną wiadomość”, że w dywizji już przygotowują się do przezimowania na froncie. Kompania aprowizacyjna została już wysłana. Wysłano także oddziały do transportu drewna, które będzie potrzebne do budowy schronów. Nocą było bombardowanie – tak blisko, że nasz schron się zawalił. Cały jestem w błocie. Wciąż niepokoją nas snajperzy. Cholera, celnie strzelają”.

Do połowy października Niemcy zdołali opanować niemal całą północną część miasta, centrum i znaczny obszar dzielnic południowo-zachodnich. 62. Armia Czujkowa znalazła się krytycznym położeniu: nie dość, że pozycje Rosjan skurczyły się właściwie do kilku przyczółków na zachodnim brzegu Wołgi, to jeszcze nie było pomiędzy nimi komunikacji. Najdalej na północy czerwonoarmiści trzymali się w rejonie dzielnicy Spartanowka, kilkaset metrów na południe – na jednej z trzech przystani w okolicach fabryki Czerwony Październik, która była już w rękach Niemców, i na Wyspie Zajcewskiej, w centrum – u wschodnich podnóży Kurhanu Mamaja, a na południu – w rejonie placu 9 Stycznia i centralnego dworca kolejowego. Demoralizujący był fakt, że wróg opanował Kurhan Mamaja, z którego kierował ostrzałem artyleryjskim i bombardowaniami lotniczymi. Niemcy szczególnie mocno atakowali rejon przeprawy przez Wołgę, fabrykę Barykady i STZ (Stalingradzka Fabryka Traktorów).