1942年9月14日，德军对市中心的马马耶夫高地和火车站发动了进攻。德军在不到4公里宽的地段上集中了6个师，并有数百架飞机从空中支援。短短的5个小时内，火车站4次易手。德军曾一度占领了高地。苏军近卫步兵于14日和15日夜冒着敌机轰炸，坐汽艇、驳船渡过伏尔加河，去增援市区的战斗。苏军和斯大林格勒市的市民则顽强抵抗，寸步不让，把可以利用的地方都变成堡垒，每个街区、每幢楼房、甚至每层楼，每间房，每个街垒都经过了反复地争夺，一天内几易其主。德军每前进一步，都要付出巨大的代价。
在经过连续13天的战斗后，德军终于于1942年9月25日占领了市南和市中心的部分地区，并前进到伏尔加河河南，所有渡口都处在了德军的枪炮火力控制之下。斯大林格勒没有一座建筑物、工厂、住宅保持完整。朱可夫命令新任斯大林格勒方面军司令叶廖缅科在任何情况下都要坚守城市，把每幢楼房、每条街道作为堡垒，抗击德军的进攻。每一座房屋，只要有苏联的军人，哪怕只有一个人，也要成为敌人攻不破的堡垒。尽管炮火连天、弹片横飞，炮击和轰炸的喧嚣声此起彼伏、震耳欲聋，被炸毁的工厂却成了苏联人的抵抗中心。一些工厂在炮火纷飞中也照常修理坦克和其他武器。如果工厂被炸得无法生产，工人们便拿起武器与正规部队一样投入战斗。
1942年10月初，最高统帅部正式批准了朱可夫和华西列夫斯基签署的代号为“天王星”的反攻计划。按照该计划，苏军从斯大林格勒西北部和南部向卡拉季奇方向进行向心突击，合围那里的德第6集团军和第4集团军。但是为了迷惑敌人，在朱可夫的指挥下，苏军采取了一系列的伪装措施。10月中旬，当德军的进攻陷于停顿之时，斯大林格勒前线各方面军接到命令，停止一切具有攻势的作战行动。这～命令通过未加密线路发布，同时命令中详细地讲述了如何安排冬季的防御、如何构筑工事、如何在支撑点储备给养、弹药、装备等。与此同时，苏军在莫斯科西部方向做出准备采取大规模冬季进攻战役的架势。
到1942年10月底，在苏军顽强地抵抗下的德国第6集团军终于无力进行大规模的进攻了。11月11日，德军重新集结力量，发动了最后一次进攻，动用了5个步兵师、2个坦克师和2个工兵营在宽5公里的正面上对斯大林格勒发起第四次强攻。一天之内，双方为争夺每一寸土地、每一块石砖，都进行了异常激烈的战斗。苏第62集团军虽然再次被德军分割成三部分，但仍然坚守阵地牵制着德军，他们在伏尔加河右岸坚守住了自己的阵地，这就为即将进行的反攻准备了先决条件。到1942年11月19日，苏军完成了集结。这时，苏军在斯大林格勒前线已有3个方面军：顿河方面军(罗科索夫斯基)、斯大林格勒方面军(铁木辛哥)和西南方面军(朱可夫兼任)。3个方面军的总兵力达到11075人，15万门大炮，1400余辆坦克和1，400架飞机。而在斯大林格勒方面作战的德国军队有101万人，1万余门大炮，600余辆坦克和1200架飞机。苏德两军的军力对比发生了变化，苏军在坦克和火炮上占有优势。苏最高统帅部为了以后反攻的需要同时逐渐恢复已被德军破坏的铁路、桥梁、车站，并修建了新的交通线。从1942年10月到第二年2月4个月间共修建了1，000余公里的铁路支线，恢复了之前被破坏的将近2000公里的铁路线和290余座铁路桥，保证了斯大林格勒地区的交通运输。
1942年11月19日7时30分，隆隆的炮声宣告了瓦图京中将率领的西南方面军和罗科索夫斯基中将率领的顿河方面军的反击，由此揭开了苏军反攻的序幕。集结在3个狭长突击地带上的大炮和迫击炮向预先侦察到的目标一齐开火。在斯大林格勒西北部，苏军西南方面军的3500 门大炮直射德军阵地。然后，以坦克和机械化部队为先导，苏军越过草原，首先突向罗马尼亚第4集团军，这是德军最薄弱阵地。德陆军参谋长随即向希特勒报告了前线的进展情况，同时建议从斯大林格勒撤退，将第6集团军撤出，调转方向，加强后卫，巩固新前方，然后进攻突八罗马尼亚军阵地的苏军。这样可在更靠西侧的地域建立一条牢固的防线，为第6集团军解围，也给苏军造成困境。刚愎自用的希特勒恼羞成怒，根本听不进任何建议，只是暴跳如雷的严令“我决不允许离开伏尔加!决不许从伏尔加撤退！”
1942年11月22日夜，苏军占领了顿河桥，并分批强渡顿河。4天之后，苏军两支先头部队在斯大林格勒的西面、德军第6集团军背后20公里的地方会师，这一会师不仅决定了斯大林格勒城内25万德军士兵的命运，而且标志着第二次世界大战在苏联战场上的转折。叶廖缅科上将率领的斯大林格勒方面军根据朱可夫的命令，于1942年11N20日拂晓从城南发起反攻，突破了罗马尼亚第4集团军的防线后，向西北推进。23日，叶廖缅科上将率领的斯大林格勒方面军在卡拉季奇与西南方面军会合，于是，斯大林格勒地区的敌军全部落八苏军包围。伏尔加河东岸的苏军也开始了反击，他们向城内的德军阵地发起了猛烈地炮击。斯大林格勒正北面的罗科索夫斯基率领的顿河方面军也发动了攻势。自11月22日起，他们与斯大林格勒方面军一起对德军进行压缩。战斗进行至1942年11月30日，苏军已完成了对德军共22个师3375人的合围，将其压缩在1，500平方公里的地域之内。当苏军揭开斯大林格勒反攻序幕的时候，朱可夫离开了斯大林格勒，转往加里宁方面军部署该方面军的进攻。P30-P31