Первым на окраины города вышел XIV танковый корпус, который был послан вперед. Пехота еще оправлялась после четырехдневного тяжелого боя при захвате переправ через Дон. Паулюс сумел уничтожить 2 полные советские армии, но с севера прибыли еще более крупные силы русских. XIV танковый корпус фон Витерсгейма оторвался от остальных немецких сил примерно на 35 миль. Поэтому его коммуникации вызывали опасение, пока 2 сентября корпус не был сменен. Началась настоящая битва. Сталинградским фронтом командовал генерал В.Н. Гордов, который сменил маршала Тимошенко, отозванного Сталиным с фронта на должность советника в Кремле. Непосредственно обороной города руководил генерал Василий Иванович Чуйков, командующий 64 армией. Ему тогда исполнилось всего 42 года. Сталинград был крупным городом с населением более полумиллиона человек. Он протянулся вдоль западного берега Волги примерно на 18 миль. Его заводы производили танки, пушки, трактора, автомобили и много другого оружия. Однако в глазах немецких полевых командиров он не был жизненно важной целью, хотя Гитлер считал иначе. Гораздо важнее было захватить нефтяные вышки Майкопа, к которым 1 Танковая Армия вышла 9 августа. Ее конечноая цель — Баку — находилась еще на 300 миль дальше. Она стала почти не достижимой по мере того, как силы немцев распылялись по второстепенным направлениям.
К началу сентября защитники были загнаны на крошечный пятачок размерами 30 миль на 18. XIV и XXIV танковые корпуса 6 Армии соединились на юге с частями 4 Танковой Армии Гота, замкнув вокруг города стальное кольцо. Чуйков, отрезанный от остальных советских сил, отважно заявил: «Мы или удержим город, или умрем здесь». Немцы прорвались к центру города и подошли на 800 ярдов к штабу Чуйкова. Однако стало ясно, что Сталин не допустит потери города, носящего его имя. Он был полон решимости удержать Сталинград так же, как Гитлер — захватить его. Жуков писал: «Было ясно, что предстоящая битва будет иметь исключительное военное и политическое значение. С падением Сталинграда противник получал возможность отрезать юг страны от центра. Мы также могли потерять важнейшую водную артерию страны Волгу, по которой шел поток грузов из Приволжья и с Кавказа. Верховное Командование посылало в Сталинград все, что могло найти на тот момент». Совершенно понятно, что при этом обе стороны потеряли гораздо больше людей и техники, чем того стоил Сталинград. Петер Янг написал: «Сталинград стал Верденом Второй Мировой войны».
Несомненно, что битва под Сталинградом стала поворотным пунктом всей войны. Она также привела к серии перемен в германском верховном командовании. Первой жертвой стал фельдмаршал Лист. Его группа армий «А» была ослаблена потерей 4 Танковой Армии Гота и не смогла захватить нефтяные месторождения. Немцы сумели дойти только до реки Терек. Нетерпеливый Гитлер послал генерал-полковника Альфреда Йодля на месте разобраться, что происходит. Гитлер пришел в бешенство, когда вернувшийся Йодль сообщил, что полностью согласен с Листом, который хотел провести перегруппировку своих ослабленных сил. Йодль с трудом усидел на своем месте, но Листу это не удалось. Следующим стал начальник штаба армии генерал Гальдер, который поддержал Листа. Роммель, узнав в Африке об этих событиях, написал жене: «Я слушал, что фельдмаршал Лист снят. Я очень высоко его ценю, как ты знаешь». Потери в Сталинграде были очень высокими с обеих сторон. Однако русские могли возмещать их, а немцы нет. Они смогли наскрести только несколько саперных батальонов и недоукомплектованную танковую дивизию. Жестокие бои продолжались весь октябрь. Немцы захватили несколько ключевых опорных пунктов и даже подняли нацистский флаг над центром города.
Пока в городе шли бои, русские были заняты подготовкой мощного контрудара. Снова процитируем Жукова: «К ноябрю Верховное Командование должно было получить механизированные и танковые части, вооруженные высоко эффективными и маневренными танками Т-34, которые позволяли ставить перед войсками более серьезные цели». Первой «целью» стало самое слабое звено германского фронта, румынская 3 Армия, находившаяся северо-восточнее города. 19 ноября началась операция «Уран». После массированной артиллерийской подготовки более 500 танков Т-34 атаковали румын и буквально уничтожили XLVIII танковый корпус генерал-лейтенанта Фердинанда Гейма. Гитлер приговорил его к смерти, но потом помиловал, так как выяснилось, что его корпус был слишком слаб. Гейм был посажен в крепость, но потом освобожден и разжалован в рядовые! Русскими командовал генерал Николай Федорович Ватутин, который позднее участвовал и в Курской битве. В начале 1944 он провел аналогичную операцию на окружение на Украине, что также привело к тяжелым потерям для немцев. Вскоре после этой битвы Ватутин был убит украинскими националистами.