接著，德軍沿伏爾加河西岸向南進攻，想殲滅斯大林格勒地區的蘇軍。在危急關頭，大量蘇軍援軍進入斯大林格勒，立刻擊退了德軍的進攻。
10月17日，蘇軍第138師支援工廠區巷戰。在伏爾加河岸的每寸土地上，雙方都展開了激烈的巷戰。
10月18日，德軍發動的城市攻堅戰獲得巨大進展，占領了該城的大部分，並差點切斷了蘇軍的河上通道。
蘇聯政府宣布，斯大林格勒的局勢惡化了，投入更多的援兵用於巷戰。蘇軍的英勇抵抗消耗了大量德軍。
其中，蘇聯英雄潘尼卡科與德軍坦克同歸於盡，激起了蘇軍的鬥誌。當時，幾輛德軍坦克進攻潘尼卡科所在的戰壕。潘尼卡科用光了所有的手榴彈，身邊隻有兩瓶液體燃料瓶。當他跳出戰壕時，打開了1個燃燒瓶，在全身燒起了大火。他跑到坦克附近，照準坦克發動機的外殼打破了第2個燃燒瓶。頓時，大火吞沒了他和坦克。
為減輕德軍對防守斯大林格勒市的第62集團軍的巨大壓力，10月19日，在斯大林格勒以北地區，頓河方麵軍發動了大規模反攻。l0月25日，蘇聯第64集團軍從南邊向德軍發動反攻，消滅大量德軍。頓河方麵軍和第64集團軍的反攻緩解了第62集團軍的困境，粉碎了希特勒占領斯大林格勒的陰謀。
盡管傷亡慘重，保盧斯仍於10月25日發電報給希特勒：“我估計最遲可於 11月10日占領斯大林格勒。”
希特勒興奮極了，10月26日，他發布命令：“第6集團軍和正在斯大林格勒南邊進攻的第4坦克集團軍要做好準備，在占領斯大林格勒以後，馬上順著伏爾加河岸從南北兩麵繼續進攻。”
其實，希特勒很清楚頓河北翼防線所受到的巨大威脅。最高統帥部的日誌記載證明，這種威脅曾經引起希特勒的不安。問題是希特勒仍然沒有充分意識到它的嚴重性，其結果是他沒有去應對這種威脅。此時，希特勒認為他已經掌握了局勢。在10月31日，希特勒與最高統帥部人員以及陸軍參謀總部離開了烏克蘭維尼察，回到臘斯登堡的“狼穴”。
希特勒認為，若蘇軍發動冬季攻勢的話，隻能從中央或北方防線開始。那樣他在臘斯登堡的大本營便於進行指揮。
形勢並不像希特勒想像的那樣樂觀。在斯大林格勒市區，蘇德雙方打了近兩個月，德軍已經占領了斯大林格勒的南半部，但蘇軍的反攻更強了。
10月底，蘇德雙方精疲力盡，戰鬥逐漸停下來，德軍也不再持續發動大規模的進攻了。德國老百姓開始焦慮不安起來。德國宣傳部認為有必要解釋一下為什麼德軍攻勢停頓了。他們對德國老百姓說：“蘇聯把所有的預備部隊都投入到了斯大林格勒戰役中，因此德軍正在消耗蘇聯最後剩下的兵力。”
為先發製人，德軍於11月9日又發動了一次大的攻勢，想殲滅城內各個據點，一舉拿下斯大林格勒。盡管德軍一下子占領了市區的大部分地區，但仍然無法消滅一些蘇軍的據點。蘇軍奮勇反擊，德軍多次被蘇軍擊退，雙方傷亡慘重。蘇軍再一次粉碎了德軍的陰謀。
德軍步兵相當疲勞，攻勢減緩。11月11日，在保盧斯的嚴厲監督下，德軍拚命進攻，重新占領了“街壘”廠的南部。蘇軍第62集團軍被分割為3個部分，但蘇軍憑著這3塊陣地有力地牽製了德軍。
11月13日，德軍再次發動進攻，由於蘇軍的抵抗，德軍傷亡過重，進攻停止了。到11月18日，蘇軍經受了德軍多次進攻後，守住了重要的據點。
幾天以來，德軍的進展很小，推進的距離隻能以米計算，而每一米都要付出巨大的傷亡。
巷戰是異常殘酷的，堅守斯大林格勒的蘇軍主力和第62集團軍給予德軍以重創，同時，蘇軍也受到了很大損失。市區的蘇軍曾經減少到四五萬人。崔可夫在日記中寫道，許多官兵被德軍包圍後，寧死不屈，拍給司令部的電報是：“我們寧死也不投降！”