8月19日起，德军再次发起进攻，从西面和西南面同时实施向心突击，力图攻占斯大林格勒，并出动几千架次的飞机对城市进行了密集的轰炸。德军一部分兵力在斯大林格勒以北逼近伏尔加河畔，企图从北面沿伏尔加河实施突击夺取该市。撤到西北方向上的苏军部队由北向南实施了反突击，将该部分德军阻止于西北郊区。苏军最高统帅部又从其战略预备队调集两个集团军，会同斯大林格勒地域苏军的一部分兵力再次对进到伏尔加河畔之德军实施了一连串的突击，这就迫使德军第六集团军的大部兵力调向北面，大大削弱了其对斯大林格勒的突击力，在9月13日前该部德军被阻击在内层围廓之外。在斯大林格勒南面的接近地，德军坦克第四集团军与苏军进行了激战，德军突破了防御，对苏军第六十四、第六十二集团军后方构成了威胁。这两个集团军奉命撤至内层防御围廓。这里的激战一直持续到9月12日。至此，德军统帅部以第六集团军和坦克第四集团军同时出击，从行进间夺取斯大林格勒的计划破产了。
当德军从西面和西南面逼临城区时，固守斯大林格勒的苏军第六十二、第六十四集团军与德军展开了激烈的战斗。从9月13日到26日，德军向市中心的第六十二集团军各兵团反复发动冲击，第六十二集团军与第六十四集团军的联系被切断。27日德军又发动了第二次强攻，开始了争夺红十月村的战斗和巷战。28日，斯大林格勒方面军改称顿河方面军，东南方面军改称斯大林格勒方面军。10月中旬，德军第三次企图攻占斯大林格勒，向拖拉机厂、街垒工厂和红十月工厂实施了突击。德军攻占了拖拉机厂并在2.5公里宽的地段上抵近伏尔加河畔。苏军第六十二集团军的处境极端复杂起来。固守每条街、每幢房屋、每寸土地的战斗展开了。此时顿河方面军为了援助斯大林格勒保卫者，在该市以北实施了连续反突击，第六十四集团军由南向德军进攻部队的翼侧实施了反突击。顿河方面军和第六十四集团军的反突击减轻了第六十二集团军所受的压力。11月11日，当苏军已充分做好反攻准备时，德军虽已突入市中七个区中的六个区，但最后一次强攻，仍未能占领整个城市。通过斯大林格勒接近地和市区的激战，德军的进攻力已消耗殆尽。
苏军最高统帅部在防御战役过程中就制定了斯大林格勒反攻计划。战役由西南方面军、斯大林格勒方面军和顿河方面军共同实施。粉碎斯大林格勒地区之德军的战略性进攻战役由三个阶段组成：合围德军集团；发展进攻和粉碎德军解救被围集团的企图；歼灭被围德军集团。11月19日，经过猛烈的炮火准备，西南方面军和顿河方面军发起了进攻，揭开了反攻的序幕。次日，斯大林格勒方面军开始进攻。经过两天战斗，苏军各方面军都突破了德军防御，坦克军和机械化军得到了向战役纵深发展进攻的机会。23日，西南方面军坦克第四军和斯大林格勒方面军机械化第四军在苏维埃农社会合，封闭了在顿河和伏尔加河中间地区对德军第六集团军及坦克第四集团军一部共33万人的合围圈。继而西南方面军和斯大林格勒方面军一边逐步压缩包围圈，同时建立了合围的对外正面工事，以保障顺利地肃清被围之敌。
