Приближающаяся зима заставила штаб 6-й армии перейти к решительным действиям. Не добившись окончательного успеха в центре города и на южных окраинах, немецкое командование приступило к подготовке прорыва в северной, промышленной, части Сталинграда.
18 сентября Чуйков решил перенести штаб на берег Волги, расположив его неподалеку от завода «Красный Октябрь». Штабные офицеры разместились на открытом месте, возле огромной нефтяной цистерны, которую посчитали пустой. Предыдущей ночью через Волгу были переправлены боеприпасы, амуниция и новые части, которые расположились за заводом. Все гражданские лица были эвакуированы. За этим последовало уничтожение складов, а 25 сентября весь личный состав был переправлен через Волгу и распределен по батареям на восточном берегу.
В воскресенье 27 сентября в 6 часов утра немцы начали наступление массированными бомбардировками. Один за другим темные силуэты немецких самолетов под вой сирен пикировали с осеннего неба. На земле группировка из двух танковых и пяти пехотных дивизий пыталась сломить оборону русских в северо-западной части города.
62-я армия, предваряя главный удар немцев, предприняла несколько атак севернее Мамаева кургана. Это утвердило германский штаб в подозрении, что русские разведчики свободно проникают на контролируемую немцами территорию. Штабные офицеры ни за что не хотели признать, что их приготовления к главному удару велись недостаточно секретно.
Усилия русских накануне наступления немцев были направлены на создание мощной системы противотанковых заграждений и минирование подходов к заводам. Прежде всего следовало обезопасить химический комбинат «Лазурь», металлургический завод «Красный Октябрь», оружейный завод «Баррикадный» и Сталинградский тракторный завод. Все эти предприятия находились на расстоянии пяти километров от Мамаева кургана.
По окончании бомбардировки вперед двинулась немецкая пехота. Солдаты испытывали огромное напряжение; от одной мысли о том, что ждет их впереди, пересыхало во рту. На левом фланге части немецкой 389-й пехотной дивизии готовились занять жилые кварталы, прилегающие к оружейному заводу. Эти кварталы, некогда блистающие новизной, теперь были объяты пламенем.
В центре удар должна была нанести 24-я танковая дивизия. Австрийская 100-я егерская дивизия атаковала рабочий поселок завода «Красный Октябрь». Немцам удалось также вновь занять Мамаев курган, накануне отбитый 95-й стрелковой дивизией русских. В результате авианалетов и артиллерийских обстрелов эта дивизия была почти полностью уничтожена.
Бойцы Красной Армии отчаянно сражались и не жалели даже соотечественников. Во время боя за рабочий квартал оружейного завода русские солдаты расстреливали из автоматов женщин, которые спаслись от огня на немецкой территории.
Натиск немцев был настолько силен, что Чуйков всерьез засомневался, удастся ли его сдержать. «Еще один такой бой – и мы окажемся в Волге». Немного позже из штаба фронта позвонил Хрущев. Его интересовало настроение в войсках. Чуйков, имея в виду судьбу 95-й стрелковой дивизии на Мамаевом кургане, ответил, что главную проблему составляет немецкая авиация. Хрущев переговорил также с армейским комиссаром Гуровым и приказал усилить работу по поддержанию боевого духа в частях.
В понедельник 28 сентября пилоты Люфтваффе нанесли несколько массированных ударов по западному берегу Волги и переправе, стремясь оборвать связь 62-й армии с восточным берегом. Зенитные орудия и пулеметы Волжской флотилии стреляли непрерывно до тех пор, пока стволы не выходили из строя. Пять из шести резервных кораблей были серьезно повреждены. Чуйков попросил помощи у 8-й воздушной армии, чтобы обеспечить прикрытие для переправляющихся через Волгу частей пополнения. Свежие силы должны были контратаковать и отбить у немцев Мамаев курган. И это им удалось. Немцев отбросили, но сам курган не удалось занять никому. Основной задачей Чуйкова было не дать немцам установить на кургане свою артиллерийскую батарею, поскольку тогда гитлеровцы смогли обстреливать северную часть Сталинграда и переправу через Волгу. Вечером Чуйков мог вздохнуть свободно – того, чего он опасался, не произошло. Однако все понимали: потеря кораблей – это серьезно. Боеприпасы и продукты питания подошли к концу, а на берегу дожидались отправки в тыл тысячи раненых.
29 сентября немцы продолжали крушить оборону русских. Деревня Орловка была атакована с запада частями 389-й пехотной дивизии, а с северо-востока – 60-й моторизованной дивизией. Сопротивление немногочисленных советских войск было настолько упорным, что один немецкий капрал даже написал домой: «Вы не можете себе представить, как отчаянно русские защищают свой город. Они бьются за него словно цепные псы».