Новый немецкий удар на Сталинград последовал 16 августа. 6-й армии Паулюса удалось значительно продвинуться вперед, расчленив советскую группировку на две части. Германские войска захватили важные плацдармы на восточном берегу Дона. 23 августа 14-й танковый корпус вермахта неожиданно для советской стороны прорвался на стыке 4-й танковой и 62-й армий Сталинградского фронта. Пройдя по тылам советских войск около 60 км, он вышел к Волге севернее Сталинграда, в районе Рынка. Под огнем немецких орудий оказались цеха Сталинградского тракторного завода. В тот же день германской авиацией был нанесен сильнейший бомбовый удар по жилым кварталам Сталинграда. Город был практически полностью разрушен. Тысячи мирных жителей погибли в огне гигантских пожарищ, возникших после налета. Из 490 тыс. довоенного населения Сталинграда, к которым нужно добавить несколько десятков тысяч эвакуированных людей с Украины и даже из блокадного Ленинграда, к концу Сталинградской битвы в городе осталось лишь 32 тыс. человек. Покинуть Сталинград до августа 1942 г. смогли около 100 тыс.
С 15 августа начались бои за Сталинградский тракторный завод, практически находящийся уже в черте города. Особенностью Сталинграда являлось то, что по своей ширине он занимал довольно узкую полоску в 2–3 км, но по длине – вдоль берега Волги – вытянулся более чем на 15 км. Советское командование пыталось в срочном порядке восстановить положение и закрыть образовавшуюся брешь в обороне севернее города, но безуспешно. Немцы здесь закрепились и постепенно стали продвигаться к югу, в глубь района заводских цехов.
Для лучшей управляемости войск дивизии 62-й армии генерала В.Чуйкова, отрезанные от главных сил Сталинградского фронта, были переданы в состав Юго-Восточного фронта. 64-я армия, после упорных боев на подступах к городу, отошла на средний оборонительный обвод и заняла там жесткую оборону. С конца августа начались бои на восточных окраинах Сталинграда, а в середине сентября врагу удалось ворваться в городские кварталы (вернее, в их развалины). Начались кровопролитные сражения в самом городе. Его обороной в это критическое время руководил находившийся вместе с войсками начальник Генерального штаба генерал (в 1943 г. маршал) А. Василевский.
Ожесточенность боев нарастала с каждым днем. Особенно тяжелыми для сталинградцев были первые три дня штурма. Немецкие танки при поддержке мотопехоты неудержимо продвигались к берегу Волги. Казалось, что силы советских войск уже на исходе. Но положение спасла 13-я гвардейская дивизия А. Родимцева. Всего за две ночи, понеся тяжелые потери в личном составе и технике от бомбовых ударов и обстрела артиллерии противника, она сумела переправиться на западный берег Волги и с ходу вступить в бой. Противник был отброшен. Более того, два советских полка продвинулись вперед и захватили Мамаев курган, господствующий над большой частью Сталинграда. Бои за эту высоту продолжались вплоть до января 1943 г.
Хотя в отдельных районах города противник находился всего в 150–200 м от берега Волги, дальше он продвигаться уже не мог. Борьба шла за каждую улицу, за каждый дом. Легендой стала оборона всего одного дома бойцами под командованием сержанта Я. Павлова. В течение 58 дней и ночей советские солдаты обороняли свои позиции и не сдали их врагу. Особенное значение в условиях ближнего боя с противником, когда до его передовой было всего несколько десятков метров, приобретала выучка и мужество каждого отдельного красноармейца. Наиболее сильные и смелые бойцы объединялись в штурмовые группы, которые скрытно приближались к позициям врага, забрасывали его гранатами, а затем решительно атаковали. Именно в таких боях подразделения Красной Армии приобретали бесценный опыт сражений в городских кварталах, который затем был использован в боях за Киев, Будапешт, Варшаву и, наконец, Берлин.
К началу октября 6-я немецкая армия во многом утратила свои наступательные возможности. Однако приказа о переходе к обороне для немецких соединений, действующих в районе Сталинграда, не поступало. Гитлер буквально грезил взятием этого города. Положение на Кавказе также продолжало оставаться неопределенным. Несмотря на значительные успехи в июле – августе 1942 г., захват Майкопа, Краснодара и Армавира, частям группы армий «А» так и не удалось сходу преодолеть горные перевалы Главного Кавказского хребта и выйти к Черному морю. Наступая от Таманского полуострова, противник сумел захватить большую часть Новороссийска, но дальнейшее его продвижение застопорилось. Бои развернулись на подступах к Туапсе и Орджоникидзе (Владикавказ).