Германское командование планировало осуществить штурм Сталинграда в основном силами 6-й полевой армии — двумя ударами, направленными на центр города. Таким путем немцы рассчитывали расчленить фронт советской обороны. Один удар предполагалось нанести из района поселка Александровка на восток, другой — из района железнодорожной станции на северо-восток. Фланговым силам, действовавшим южнее и северо-западнее города, ставилась задача сковать действия противостоящих им советских войск.
13 сентября 1942 года гитлеровцы начали штурм города. Одна группировка, наступая из района разъезда Разгуляевка, потеснила советские войска к поселкам Баррикады и Красный Октябрь. Вторая группировка овладела станцией Садовой и вышла к западной окраине пригорода Минино. Бои развернулись на улицах города, превращенных немецко-фашистской авиацией в труднопроходимые руины. Части Красной Армии упорно сражались за каждый дом.
Вряд ли кто из сражавшихся в Сталинграде мог предположить, что именно в этот день, в разгар ожесточенных оборонительных боев, начальник Генерального штаба А. М. Василевский и недавно назначенный заместителем Верховного главнокомандующего Г. К. Жуков докладывали Сталину о разработанном ими плане контрнаступления, который вскоре получит кодовое название «Уран».
14 сентября, отбив попытки 62-й армии вернуть потерянные позиции, немецко-фашистские войска обрушили на боевые порядки красноармейцев удар огромной силы. Они стремились расчленить советскую оборону, изолировать один обороняющийся участок от другого. Особенно ожесточенные бои развернулись в тот день за высоту 102 в районе Мамаева кургана, на берегу реки Царицы, на западной окраине поселка Верхняя Ельшанка. Во второй половине дня частям вермахта удалось прорваться к Сталинграду одновременно в нескольких местах: в районе поселка Купоросное, на Дар-горе, по оврагу Царицы и через территорию авиагородка. Положение во многом спасла контратака прославленной 13-й гвардейской дивизии под командованием генерала А. И. Родимцева, переправленной в течение двух ночей с левого берега. Мамаев курган, бои за который не прекращались все время обороны и ставший в итоге месивом земли, металла и крови, стал символом несгибаемого мужества и подвига защитников города. Именно здесь сегодня высится знаменитая статуя Родины-матери.
Особенно упорные бои шли в районе элеватора и вокзала, который переходил из рук в руки 13 раз. С крыши элеватора хорошо просматривались и простреливались центральная и южная части Ворошиловского района, контролировались подходы к Волге. В этот район отошли и заняли оборону обескровленные подразделения 42-й стрелковой бригады и несколько других красноармейских частей. В результате атак немецко-фашистских танков и мотопехоты советские подразделения были отрезаны от основных сил 62-й армии и продолжали сражаться в окружении.
19 сентября на помощь окруженным защитникам элеватора пробились морские пехотинцы из 92-й стрелковой бригады. К 22 сентября обстановка резко ухудшилась: кончились боеприпасы, вода и продовольствие. В этих условиях мужественный гарнизон в течение еще нескольких часов продолжал вести бой с немецкой пехотой, ворвавшейся в хранилище, а ночью сумел выйти из окружения.
14 сентября подразделения вермахта прорвали оборону на стыке 62-й и 64-й армий, овладели поселком Купоросное и вышли к Волге, тесня войска 64-й армии на юг, а левый фланг 62-й армии — к зацарицынской части города. 62-я армия оказалась изолированной от остальных сил фронта. Сложилась критическая ситуация: гитлеровцы почти овладели Сталинградом.
С первых дней войны Сталинград стал одним из крупнейших арсеналов на юго-востоке страны. Сталинградские заводы производили и ремонтировали танки, артиллерийские орудия, тягачи и суда, выпускали минометы, автоматы и боеприпасы. Город был крупным транспортным узлом с магистралями, ведущими в Среднюю Азию и на Урал.
Командующий 62-й армией генерал-лейтенант В. И. Чуйков приказал 10-й стрелковой дивизии сдерживать натиск немецко-фашистских войск в районе вокзала и Мамаева кургана до подхода полков 13-й гвардейской стрелковой дивизии. 62-я армия, несмотря на усиливающиеся атаки частей вермахта у вокзала, в пригороде Минино и у Мамаева кургана, продолжала оказывать сопротивление противнику. Бойцы 13-й гвардейской дивизии отбросили немецко-фашистские войска от района центральной переправы, очистили от них многие улицы и кварталы, не допустили разобщения фронта в центре города. Гвардейцы вышли на железную дорогу и захватили вокзал. На рассвете 16 сентября совместно с одним из полков 112-й стрелковой дивизии они овладели Мамаевым курганом. Именно в районе вокзала и Мамаева кургана с особо нарастающим напряжением развертывались бои 16 и 17 сентября.
Сам генерал Чуйков (вернувшийся в том же 1942 году из Китая, где был военным советником лидера Гоминьдана Чан Кайши, сражавшегося с японскими захватчиками, а иногда и с коммунистами) управлял своей армией из сети командных пунктов, находившихся всего в 200 — 300 метрах от вражеского переднего края. Компункты приходилось часто менять из-за попадания бомб и снарядов. Командующий Донским фронтом К. К. Рокоссовский дал высокую оценку деятельности Чуйкова: «Только такой. как он, мог выстоять и удержать в руках эту кромку земли». Плацдарм, который удерживала 62-я армия, к концу сентября имел глубину от 100 метров до 2,5 километров. Но к Волге враг здесь так и не прорвался!..
Немецко-фашистские войска, понесшие большие потери и занявшие лишь небольшую часть города севернее реки Царицы, изменили тактику борьбы. Они стали действовать на небольших участках отдельными боевыми группами. Для того чтобы еще больше усилить натиск на красноармейские части, в 6-й полевой армии вермахта были созданы штурмовые отряды — немногочисленные (по 10 человек) группы, обученные ведению уличных боев, вооруженные пулеметами, огнеметами и холодным оружием.
С особым упорством борьба продолжала развертываться в центральной части города. 20 сентября немецкая авиация полностью разрушила вокзал. Советские бойцы заняли рощицу Коммунистическую у Привокзальной площади. Вечером из района Дар-гора немецкие автоматчики прорвались на левый берег реки Царицы и к переправам через Волгу, но вскоре были оттуда выбиты. 19 — 20 сентября в помощь 62-й армии на правый берег Волги переправилась 95-я стрелковая дивизия.
С утра 21 сентября немецко-фашистские войска отражали контрудары войск 62-й армии в районе поселков Сталинградского тракторного завода, Баррикады, Красный Октябрь и войск 64-й армии южнее поселка Купоросное. Одновременно они начали крупными силами наступление, прорываясь к Волге в центре Сталинграда с целью разобщить и затем уничтожить войска 62-й армии. К вечеру этого дня передовым немецким отрядам удалось прорваться к берегу Волги в район центральной пристани, разъединив фронт 62-й армии и нарушив центральную переправу.
В конце сентября создалась угроза нового прорыва немецко-фашистских войск к Волге в районе, где находился командный пункт 42-го гвардейского стрелкового полка 13-й гвардейской стрелковой дивизии. Командир 7-й стрелковой роты этого полка старший лейтенант И. И. Наумов принял решение превратить в опорные пункты два четырехэтажных дома, расположенных параллельно на площади 9 Января, и направил туда две группы бойцов. Впоследствии эти дома вошли в историю Сталинградской битвы как «дом Павлова» и «дом Заболотного» (по фамилиям командиров групп).
На третьи сутки на помощь «гарнизону» прибыло подкрепление, и число оборонявших «дом Павлова» увеличилось до 24 человек. С помощью самперов гвардейцы усовершенствовали оборону здания (заминировали все подходы к нему) и прорыли небольшую траншею, по которой поддерживалась связь с командованием, доставлялись боеприпасы и продовольствие. Дом превратился в неприступную крепость, которую бойцы гарнизона удерживали в течение 58 дней. Из «дома Павлова» вел огонь по противнику один из лучших снайперов 13-й гвардейской стрелковой дивизии сержант Анатолий Чехов, уничтоживший во время уличных боев более 200 солдат и офицеров вермахта. Командир дивизии генерал-майор А. И. Родимцев прямо на передовой вручил девятнадцатилетнему Чехову орден Красного Знамени.
Другим знаменитым снайпером стал В. Зайцев, получивший за участие в обороне Сталинграда Звезду Героя Советского Союза. Название его мемуаров отражает общий дух всех защитников города — «За Волгой для нас земли нет!». Именно история снайпера В. Зайцева станет основой двух кинокартин — «Стреляющие ангелы» Ю. Озерова (где главного героя сыграл Ф. Бондарчук) и «Враг у ворот» Ж. Ж. Анно (с Д. Лоу). Кстати, в киноэпопею «Сталинград» того же Ю. Озерова (где Чуйкова сыграл голливудский актер П. Бут) США вложили гораздо больше средств, чем в реальном сражение, определившее ход Второй мировой войны.
В этот период оборона города все больше зависела от своевременного бесперебойного подвоза вооружения, продовольствия и пополнения личного состава. После выхода войск вермахта к Волге Сталинград потерял железнодорожные коммуникации на правом берегу, в этих условиях исключительное значение имели волжские переправы. Непрерывность коммуникаций через Волгу и связь Сталинграда с восточным берегом обеспечивались речным гражданским флотом и судами Волжской военной флотилии под командованием контр-адмирала Д. Д. Рогачева.
Гитлеровцы хорошо просматривали реку и прилегающую к ней местность у Сталинграда, что позволяло им не только производить воздушные налеты, но и вести обстрел из всех видов артиллерии и минометов — охота шла за каждым судном. Несмотря на это, гражданские речники и военные моряки успешно решали поставленную перед ними задачу. В ходе битвы они перевезли на правый берег свыше 82 тысяч солдат и офицеров, большое количество боевой техники, продовольствия и других военных грузов. Из Сталинграда на левый берег они эвакуировали около 52 тысяч раненых воинов и гражданского населения. Корабли и бронекатера флотилии взаимодействовали с сухопутными войсками, поддерживая их своим огнем и высаживая десантные группы. Части морской пехоты сражались на берегу вместе с армейскими соединениями.
Несмотря на провал очередной попытки захватить Сталинград, германское командование не оставляло своих замыслов и по-прежнему стремилось полностью овладеть городом. В октябре 1942 года под Сталинград отправились крупные силы из резерва — около 200 тысяч солдат обученного ополчения, до 90 артиллерийских дивизионов, а также 40 саперных батальонов, специально подготовленных для штурма города. Для Гитлера овладение городом, носящим имя его заклятого противника, становилось чем-то вроде навязчивой идеи. Это хорошо понимал и И. В. Сталин, который сказал А. М. Василевскому: «От Сталинграда Гитлер не уйдет. Да и на Кавказ может повернуть, но часть войск у Сталинграда все равно держать будет, потому что город моим именем назван».
14 октября 1942 года Гитлер подписал оперативный приказ № 1 Главного командования сухопутных сил вермахта о переходе к стратегической обороне на всем советско-германском фронте. Хотя немецко-фашистские войска вышли к Волге и проникли на Кавказ, они не смогли овладеть Сталинградом, основными нефтеносными районами Кавказа и перевалами Главного Кавказского хребта. Новый срок для захвата Сталинграда германское командование назначило на 14 октября.
Утром этого дня 6-я немецкая полевая армия начала атаку, которую поддерживали около тысячи самолетов 4-го воздушного флота. Сосредоточив на фронте протяженностью около 4 километров три пехотные и две танковые дивизии, германское командование бросило их в наступление, нанося главный удар в общем направлении на тракторный завод и завод «Баррикады».
К 20 октября гитлеровцам удалось захватить Мамаев курган и выйти к Волге в районе Сталинградского тракторного завода и в районе устья реки Царица. Фронт 62-й армии был вторично разобщен. Ее части вели изнурительные уличные бои, часто переходившие в рукопашные схватки. И все же положение существенно изменилось — самые критические дни борьбы остались позади. 14 — 18 октября войска 6-й полевой армии вермахта, штурмовавшие город, были окончательно измотаны, но ценой неимоверных усилий продолжали бои за улицы и кварталы города. Гитлеровцам казалось, что исход сражения медленно, но неизбежно склоняется в их пользу. Последнюю попытку наступления Ф. Паулюс предпринял 11 ноября. Его единственным успехом стал прорыв к Волге в третьей, последней для врага, точке обороны Сталинграда. Для гитлеровцев уличные бои в Сталинграде стали воплощением «ада», сильно ударившим по моральному и боевому настрою солдат и офицеров вермахта. Напротив, каждый день уличных боев поднимал дух защитников города, доказавших свое превосходство в искусстве ближнего боя, где, по мнению генерала В. И. Чуйкова, все решает не сила, а умение, сноровка, изобретательность. Уже в конце октября командующий 62-й армией был убежден, что именно под Сталинградом нашей армии будет суждено одержать победу.