К 1 сентября 1942 года советское командование могло обеспечить свои войска в Сталинграде только рискованными переправами через Волгу. Посреди развалин уже разрушенного города советская 62-я армия соорудила оборонительные позиции с расположенными огневыми точками в зданиях и на заводах. Сражение в городе было жестоким и отчаянным. Немцы, продвигаясь вглубь Сталинграда, понесли тяжёлые потери. Советские подкрепления переправлялись через Волгу с восточного берега под постоянной бомбардировкой немецкой артиллерии и самолётов. Средняя продолжительность жизни новоприбывшего советского рядового в городе падала иногда ниже двадцати четырёх часов. Немецкая военная доктрина была основана на взаимодействии родов войск вообще и особо тесном взаимодействии пехоты, сапёров, артиллерии и пикирующих бомбардировщиков. Чтобы противостоять этому, советское командование решило пойти на простой шаг — постоянно держать фронтовые линии настолько близко к противнику, насколько это физически возможно (как правило не более 30 метров). Таким образом, немецкой пехоте приходилось сражаться, полагаясь на себя самих, или подвергаться опасности быть убитыми своей же артиллерией и горизонтальными бомбардировщиками, поддержка была возможно только от пикировщиков. Мучительная борьба шла за каждую улицу, каждый завод, каждый дом, подвал или лестничный проход. Немцы, называя новую городскую войну (нем. Rattenkrieg, Крысиная война), горько шутили о том, что кухню уже захватили, но до сих пор бьются за спальню.
Сражение на Мамаевом кургане, пропитанной кровью высоте, возвышающейся над городом, было необычайно беспощадным. Высота переходила из рук в руки несколько раз. На зерновом элеваторе, огромном зернообработочном комплексе, боевые действия проходили настолько плотно, что советские и немецкие солдаты могли чувствовать дыхание друг друга. Бои на зерновом элеваторе продолжались неделями, пока советская армия не сдала позиции. В другой части города многоквартирное здание, обороняемое советским взводом в котором служил Яков Павлов, было превращено в неприступную крепость. Несмотря на то, что это здание впоследствии оборонялось многими другими офицерами, за ним закрепилось первоначальное название. Из этого дома, позже названного «Домом Павлова», можно было наблюдать площадь в центре города. Солдаты окружили здание минными полями и установили пулемётные позиции.
Не видя конца этой жуткой борьбе, немцы стали подвозить к городу тяжёлую артиллерию, включая несколько гигантских 600-миллиметровых мортир. Немцы не предприняли никаких усилий чтобы переправить войска через Волгу, позволяя советским войскам воздвигать на противоположном берегу огромное количество артбатарей. Советская артиллерия на восточном берегу Волги продолжала вычислять немецкие позиции и обрабатывать их усиленным огнём. Появляющиеся руины советские защитники использовали как оборонительные позиции. Немецкие танки не могли передвигаться посреди груд булыжников высотой до 8 метров. Если они даже и могли продвигаться вперёд, то попадали под плотный огонь советских противотанковых подразделений, расположенных в развалинах зданий.
Советские снайперы, используя руины в качестве укрытий, также нанесли немцам тяжелейший урон. Наиболее успешный снайпер (известен только как «Зикан») — на его счету было 224 человека уже к 20 ноября 1942 года. Снайпер Василий Григорьевич Зайцев в ходе сражения уничтожил 225 солдат и офицеров противника (в том числе 11 снайперов).
И для Сталина, и для Гитлера битва за Сталинград стала вопросом престижа в дополнение к стратегическому значению. Советское командование передвинуло резервы Красной Армии от Москвы к Волге, а также перебросило воздушные силы практически со всей страны в район Сталинграда. Напряжение обоих военных командиров было безмерным: у Паулюса даже развился неконтролируемый нервный тик глаза.
В ноябре, после трёх месяцев кровавой бойни и медленного, дорогостоящего наступления, немцы наконец достигли берега Волги, захватив 90 % разрушенного города и разбив сохранившиеся советские войска на две части, из-за чего те попали в два узких котла. В дополнение ко всему этому, на Волге образовалась корка льда, мешающая подходу лодок и грузам обеспечения для попавших в тяжёлую ситуацию Советских войск. Несмотря ни на что, борьба, в особенности на Мамаевом кургане и на заводах в северной части города, продолжалась так же неистово, как и до того. Сражения за завод Красный Октябрь, тракторный завод и артиллерийский завод «Баррикады» стали известны на весь мир. Пока советские солдаты продолжали защищать свои позиции, ведя огонь по немцам, рабочие заводов и фабрик ремонтировали повреждённые советские танки и оружие в непосредственной близости от поля боя, а иногда и на самом поле боя.
