德國軍事學說以坦克，步兵，大炮和攻擊機為基礎的多兵種聯合機動作戰。考慮到這一點，為了進行有效的反擊，蘇軍司令部採取了近身近距離作戰的戰術。崔可夫稱這是緊抱德軍。這迫使德軍獨自作戰或面臨被友軍傷害的危險。這減少了德國的空中和炮火支援。並且蘇軍瞭解到，在斯大林格勒，最好在許多具有戰略意義的街道和廣場的建築物中設防線。這種策略使蘇聯軍隊儘可能地留在所有地區。因此，他們在許多城市建築物（如工廠，倉庫，轉角房屋，辦公樓等），佈置了機關槍，反坦克步槍，迫擊炮，地雷，鐵絲網，狙擊手，以及5-10名衝鋒槍手等士兵。它被改建成一棟滿是士兵的建築物。士兵們在所有廢墟，街道，工廠，住宅，地下室和樓梯間進行了激烈的戰鬥。德國人稱這場無形的巷戰為“老鼠戰爭”，在這種戰鬥中，所有戰線都消失了，習慣於機動作戰的德國士兵被迫進行激烈的巷戰，例如穿越被炸的居民區，辦公區，地下室和高層公寓進行戰鬥。有時蘇軍和德軍在同一層，蘇軍在一邊，德軍在另一側，雙方通過一個牆上的洞相互射擊。
馬馬耶夫崗是這座城市的最高點，這裡的戰鬥特別艱辛，該地在雙方的爭奪中多次易手。 到9月12日，蘇聯第62集團軍只剩下90輛坦克，700門迫擊炮和大約20,000名士兵。9月13日，蘇聯紅軍第13近衛步兵師的任務是收復馬馬耶夫崗及一號火車站，為此第13近衛步兵師蒙受了巨大損失。在戰鬥開始的24小時內便陣亡了全師的三分之一，在整個戰役中全師原本10,000人只有320人存活下來。以上兩個目標已經實現，但只是暫時的。火車站在6小時內14度易手。第二天晚上，第13近衛步兵師消失了，但是該師的士兵消滅了大約相同數量的德國士兵。戰鬥在一個巨大的穀物倉庫附近進行了數週。經過激烈的戰鬥，當德軍最終佔領該地區時，發現只有40人被蘇軍殺死。蘇軍部隊在撤離之前焚燒了這裡存放的糧食。
巴甫洛夫要塞
在城市的其他地方，由雅科·巴甫洛夫指揮的蘇軍的一個排，將一棟俯瞰城市中心廣場的建築變成了堅不可摧的堡壘，後來稱之為巴甫洛夫大樓。他們在窗戶處佈置了機關槍，並打通了地下室之間的牆壁，以建立更好的溝通聯繫。士兵們發現地下室藏有大約10名平民，並號召他們一起戰鬥。在接下來的兩個月中他們沒有得到增援。戰役結束後，崔可夫開玩笑地說，企圖佔領巴甫洛夫大樓的陣亡的德軍比佔領巴黎期間陣亡的人數還多。根據比弗的資料顯示，在第二個月時德軍每一波進攻中，都試圖攻佔這座建築。蘇聯擊退了他們，並還要及時清理德軍的屍體以免阻礙性的機槍和反坦克炮的視線。這座建築在德軍地圖上被稱為 “要塞”。 巴甫洛夫因為其英勇表現而被授予蘇聯英雄稱號。
由於並未看到出戰鬥結束的跡象，德軍開始調動重型火炮進入市區，其中包括一門巨大的800毫米鐵道炮，暱稱朵拉。但是，德軍沒有試圖派出部隊穿越伏爾加河，這就導致蘇軍可以在東岸建立大量炮兵陣地。這些大炮不斷向德軍陣地開火，蘇聯守軍將大炮造成的廢墟變成防禦陣地。德國坦克在高達8米的廢墟中中變得毫無用處，而且還成為了在破爛建築物中的蘇軍反坦克炮的攻擊目標。
800毫米鐵道炮
蘇聯狙擊手還利用了廢墟，給德軍造成了巨大的人員傷亡。最著名的是瓦西里·柴契夫，他殺死了242名敵軍，總共殺死300多人。他還殺死了一個很可能是虛構的德國王牌狙擊手，著名的歐文·柯尼希。柴契夫和其他30多名在狙擊學校訓練出的狙擊手共殺死了3000多名德國士兵。 柴契夫使用的是一支標準的莫辛-納甘步槍及PTRD-41 14.5毫米反坦克步槍。PTRD-41 14.5毫米反坦克步槍用於射擊不在窗口而躲在牆後的德國士兵，14.5毫米的子彈可以穿透磚牆。 .. 柴契夫因戰鬥而被授予蘇聯英雄稱號。
此時無論是斯大林還是希特勒，斯大林格勒都已經成為威望的象徵，而不僅僅是其實際的戰略意義。 蘇聯已下令紅軍的戰略預備隊從莫斯科地區轉移至伏爾加河下游，並動員飛機從全國各地前往斯大林格勒地區。雙方軍事指揮官都很緊張。 保盧斯的雙眼無法控制的抽筋，最終傷害了他的左臉頰。 崔可夫出現溼疹，雙手被完全捆紮。 雙方部隊都面臨非常激烈的近戰巷戰。
空軍較量
為了粉碎蘇軍的抵抗力量，德國空軍的第4航空隊的斯圖卡俯衝轟炸機於10月5日飛行了700架次，轟炸了捷爾任斯基拖拉機廠。一些蘇軍步兵團被消滅。第二天早上的空襲殺死了整個蘇軍第339步兵團。10月中旬，德國空軍加強了對在西岸紅軍其餘陣地的轟炸。到這個時候，蘇聯空軍的抵抗已經不再有效。 10月14日，德國空軍第4航空隊進行了2000架次飛行，並投下了600噸炸彈。同時，德國步兵包圍了北部的三個工廠。斯圖卡俯衝轟炸機第1，第2和第77中隊在伏爾加河東岸壓制了蘇軍的炮兵陣地，並襲擊了試圖補給的船隻。第62集團軍已被切成兩半，及由於對其供應船隻的密集轟炸而陷於崩潰。
面對蘇軍在伏爾加河僅有的長910米的陣地，德軍出動超過1,208架次的斯圖卡俯衝轟炸機飛臨上空進行轟炸。雖然面對猛烈的空襲蘇軍第62集團軍在西岸抵抗德國第6集團軍及第4裝甲集團軍的部隊有47,000名士兵和19輛坦克。
斯圖卡俯衝轟炸機
德軍制空權一直保持到11月初，但是經過20,000架次飛行之後，可起飛的數量從1600架減少到950架，其中只有480架轟炸機僅剩232 架。第4航空隊未能阻止蘇聯空軍力量的發展。在反擊階段，蘇聯空軍的力量已經超過了第4航空隊。
蘇聯轟炸機部隊在過去的18個月中付出了巨大的損失，以致只能在夜間行動。從7月17日至11月19日，蘇軍於夜間在斯大林格勒及頓河河套地區飛行了11,317架飛機。在出擊中，這些空襲造成了有限的破壞和騷擾性的價值。德國空軍的情況變得越來越困難。 11月8日，第4航空隊的許多部隊撤離，以應對盟軍在北非的著陸。德國空軍分散在整個歐洲，無法維持蘇德戰線南部等地區。
經過三個月的殺戮以及緩慢推進後，德軍終於到達了河岸，佔領了90％破爛不堪的市區，但是，戰鬥在馬馬耶夫山的山坡和城市北部的工廠區仍很激烈。紅色十月鋼鐵廠、捷爾任斯基拖拉機廠及巴里卡迪兵工廠已變成舉世聞名。當蘇聯軍隊保衛這些工廠時，工廠工人就在戰場附近，有時甚至在戰場上修理坦克和武器。這些平民雖然沒有經過戰鬥訓練，但有時還是自願代表死亡或受傷的士兵駕駛坦克。
