轴心国军队有50多个师向斯大林格勒方向进攻，其中13个师和17万人直接进攻斯大林格勒。斯大林格勒阵线和苏联东南红军共有120个师，但人员严重短缺。
1942年9月13日，德军开始进攻该市。在此之前，德国Ju-88轰炸机用轰炸了被摧毁的城市地区，伏尔加河沿岸斯大林格勒的河流增援部队也遭到袭击。保卢斯的第六集团军作为主力，从城北发动猛烈袭击。霍特的第四装甲集团从城市南部挺进，协调保卢斯在城市北部的主要进攻。苏联红军崔科夫中将领导的第62集团军和舒米洛夫少将领导的第64集团军被指派保卫斯大林格勒市区。

1942年9月14日，德军从城北进入市区，与苏军第62集团军展开了激烈的路战。双方一条街一条街地、一栋栋楼地、一家一家地重复比赛。斯大林格勒变成了一片废墟，城市80%的居民区被摧毁。在这座满是瓦砾和废墟的城市里，苏联第62集团军进行了顽强的抵抗，城市的每一条街道、建筑物和工厂都发生了激烈的武器战斗。这座城市的德国士兵伤亡人数正在增加。尽管德国军队频繁轰炸伏尔加河东岸，苏联红军仍不断从那里获得补给和支持。刚刚进城的红军士兵的平均生存时间不超过24小时，军官的平均生存时间只有3天左右。德军的主要战术是所有武器的联合作战，非常重视步兵、工兵、炮兵和空军对地轰炸的协调。为了对抗这种战术，苏联红军指挥官采取了一种严密而紧迫的战略，试图使自己的前线更靠近德国军队。因此，德国炮兵无法利用远程攻击。

苏联卫队附近的第11航空兵团的IL-2攻击机给进入该市的德国坦克造成了重大损失。1942年9月15日，德军对马马耶夫高原进行了一次重要进攻。这个高原是斯大林格勒市的指挥高度，从这里你可以观察和控制整个城市。这里是特列科夫中将的陆军第62总部。经过一天中最残酷的战斗，德军占领了马马耶夫高原。然而，1942年9月16日，苏军第13师越过伏尔加河进入斯大林格勒。突然，他对德军发起反击，重新占领了高原。双方多次争夺许多重要据点。争夺第一个火车站的战斗持续了一周。德军不顾一切，一步步逼近市中心。
1942年9月25日，德国军队占领了市中心。1942年9月27日，德国军队冲进工厂北部，重新占领马马耶夫高原。然而，它于1942年9月29日被苏联红军重新征服。后来，战斗变得更加激烈，两军继续交替占领这一高原。斯大林格勒工业区建在山丘上，建筑物用钢筋混凝土浇注或用石头建造。德国军队的前进不是以公里来衡量的，而是以米来衡量的。德国第六军军官汉斯·德尔在《向斯大林格勒进军》一书中写道：“敌人和我们为了每一栋房子、车间、水塔、铁路地下通道，甚至为了一堵墙、一个地下室和每一堆瓦砾，都进行了激烈的斗争。这种激烈程度是前所未有的”。

这座火车站已经被反复竞争了13次。在一个大粮仓里，两军士兵靠得很近，甚至能听到对方的呼吸声。经过几周的艰苦斗争，德军不得不从仓库撤出。在城市的另一部分，由扬科夫巴甫洛夫指挥的一支小分遣队（共6人）占领了市中心的一栋公寓楼，并进行了顽强抵抗。士兵们在大楼附近埋设了大量，在窗户上安装了，并打开了地下室的隔墙进行通信。这座顽强的堡垒被苏联人自豪地称为“巴甫洛夫建筑”（之后一堵墙一直保留到21世纪，上面刻着士兵抵抗的图像，右上角刻着58，表明他们六个人在斯大林格勒战役中抵抗了58天）。
由于德军看不到战斗结束的迹象，开始向该市派遣重型装甲部队，包括600毫米迫击炮。然而，伏尔加河东岸的苏联炮兵部队用炮火包围了德军。城市中的红军国防军仍在利用废墟作战。由于城市被几米厚的瓦砾和废弃建筑所覆盖，德国坦克部队没有地方玩耍。此外，苏联狙击手非常成地将废墟用作避难所，给德国军队造成了巨大损失。1942年11月20日，最成的狙击手齐坎击毙了224名敌人，这使他成为好莱坞电影《城市下的士兵》的主人瓦西里·格里戈列维奇·扎伊采夫的原型。另一名狙击手也创下了149名敌人死亡的记录。
对斯大林和阿道夫来说，斯大林格勒战役是一场至关重要的战役，关系到成败。苏联红军司令部将战略重点从莫斯科转移到伏尔加河地区，并动员全国所有空军支援斯大林格勒。9月末和10月初，苏联红军向斯大林格勒市区转移了六个步兵师和一个坦克旅；德军增派了20万兵力，其中包括90个炮兵营和40个工程营，他们接受了攻击该市的训练。

两支部队的指挥官都面临着巨大的压力。德国指挥官保卢斯（Paulus）患有眼肌痉挛，而特雷科夫（Trekov）在黑暗的地下指挥部患有湿疹，因此他不得不完全包裹双手。
当时，苏联南部的德国前线长达1250英里，从库尔斯克和沃罗涅日出发，经过斯大林格勒，到达莫扎克。从库尔斯克到列宁格勒800多英里，德国在苏联的战线总长度超过2000英里，而德国的部队和资源根本不足以维持如此长的战线。特别危险的是，从斯大林格勒沿顿河到沃罗涅日的全长350英里的区域已经被发现。德国无法抽调军队填补这一缺口，因此不得不在这条前线部署三支附属国集团军：匈牙利第二集团军位于沃罗涅日以南；第八支意大利军队在东南部更远的地方；罗马尼亚第三集团军位于斯大林格勒以西，唐河弯道的右侧。这使得前额又窄又长。即使在某些地区，也只有一个野战排来保卫1-2公里的整个防线。苏联红军在伏尔加河南岸维持了几个攻击点，这对德国军队构成了潜在威胁。阿道夫并非没有意识到，这些附属国家的军队装备和战斗力都非常差，不足以承担这项任务，但他相信，只要斯大林格勒能够迅速被征服，就可以部署足够的军队。德国陆军总参谋长弗兰兹·哈尔德（Franz Hald）表达了担忧和异议：他认为斯大林格勒不会落入陷阱，并声称放弃战斗，撤退到西方。因此，阿道夫于9月底解除了哈尔德的陆军总参谋长职务，并任命德国驻法国前总司令库尔特·泽特勒将军为新的陆军总参谋长。

1942年9月28日，苏联红军较高司令部决定将斯大林格勒的前线军改为顿河军，司令是罗科索夫斯基中将；东南方面军更名为斯大林格勒方面军，其指挥官是叶利奥门克将军；第一批卫兵的军队扩大为西南前线的军队，其指挥官是尼古拉·瓦图丁中将。副较高指挥官朱可夫少将和总参谋长瓦西里夫斯基将军被控秘密制定合作计划

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