17 сентября в результате отхода соседей на правом и левом флангах, части 42-й стрелковой бригады были окружены в районе Дубовой Балки. В течение суток они героически сражались с численно превосходящим противником и к утру следующего дня прорвались из окружения, эвакуировав всех раненых.
В этих боях нередко отделение отражало атаку роты противника, усиленной танками, а взвод оборонялся против батальона. В ротах оставалось по 20–30 человек, а в 1-й роте (командир — старший лейтенант Г. С. Филимонов) 4-го батальона — 17 человек. Только за два дня боев эта горстка 17 храбрецов отразила 14 атак, уничтожила восемь танков и более 150 гитлеровцев. Командир батальона старший лейтенант Ф. С. Жуков лично уничтожил 20 немецких солдат. Старшина 2 статьи В. В. Борисоглебский из противотанкового ружья подбил три, а краснофлотец. В. Н. Балацин два танка. Главный старшина И. В. Репин из противотанкового ружья поджег немецкий танк, а 10 гитлеровцев уничтожил огнем из пулемета. 120 солдат и офицеров противника уничтожил из пулемета сержант Н. А. Рындин. Все перечисленные морские пехотинцы были награждены боевыми орденами.
В ходе двухдневных оборонительных боев 17 и 18 сентября бригада уничтожила 1655 гитлеровцев и подбила 16 танков. Ее потери за это время составили 153 человек убитыми и 308 ранеными.
С 19 по 26 сентября 42-я стрелковая бригада вела ожесточенные уличные бои с непрерывно атакующей пехотой и танками противника.
Наиболее ожесточенные бои развернулись 21 и 22 сентября, когда немцы под прикрытием ураганного огня артиллерии и минометов предприняли очередную попытку прорваться на левый берег реки Царица со стороны станции Сталинград-2. Однако и на этот раз морские пехотинцы сорвали замысел противника и заставили его вернуться на исходный рубеж.
Во взаимодействии с частями 35-й гвардейской стрелковой дивизии 42-я стрелковая бригада сдерживала атаки крупных сил немцев, стремящихся прорваться в центр города с южного направления.
Противник силами до трех пехотных полков, усиленных двумя артиллерийскими дивизионами и танковой ротой, перешел в решительное наступление, стремясь овладеть районом элеватора и выйти к Волге.
В этих боях морские пехотинцы проявили исключительный героизм и непоколебимую стойкость.
28 сентября из остатков бригады был сформирован сводный батальон, который героически сражался в северо-западной части Сталинграда
1 октября сводный батальон бригады под сильным артиллерийским огнем и ударами авиации противника начал наступление на северо-западную окраину поселка Баррикада, имея ближайшую задачу выбить немцев из занимаемых ими кварталов, выйти на юго-западную окраину поселка и в последующем овладеть балкой Вишневая.
В ночь на 3 октября батальон выполнил поставленную задачу. Однако вследствие неприкрытых флангов и понесенных потерь, он вынужден был отойти и занять оборону участка Дизельная, Верхнеудинская. После трехдневных кровопролитных боев в батальоне осталось 10 человек среднего командного состава и 42 человека рядовых и младших командиров. Однако до 16 октября морские пехотинцы упорно удерживали занимаемый рубеж.
17 октября по приказанию командующего 62-й армии остатки сводного батальона были переданы 308-й СД, а штаб бригады переправился на левый берег Волги. На этом закончился героический путь 42-й стрелковой бригады в первом периоде войны. За это время бригада уничтожила около 19 тысяч солдат и офицеров противника, подбила и сожгла около 70 танков, освободила 41 населенный пункт. За героизм и мужество, проявленные в борьбе с немецко-фашистскими захватчиками 120 морских пехотинцев бригады были награждены боевыми орденами и медалями, 248 представлены к правительственным наградам.