德国军事学说以坦克，步兵，大炮和攻击机为基础的多兵种联合机动作战。考虑到这一点，为了进行有效的反击，苏军司令部采取了近身近距离作战的战术。崔可夫称这是紧抱德军。这迫使德军独自作战或面临被友军伤害的危险。这减少了德国的空中和炮火支援。并且苏军了解到，在斯大林格勒，最好在许多具有战略意义的街道和广场的建筑物中设防线。这种策略使苏联军队尽可能地留在所有地区。因此，他们在许多城市建筑物（如工厂，仓库，转角房屋，办公楼等），布置了机关枪，反坦克步枪，迫击炮，地雷，铁丝网，狙击手，以及5-10名冲锋枪手等士兵。它被改建成一栋满是士兵的建筑物。士兵们在所有废墟，街道，工厂，住宅，地下室和楼梯间进行了激烈的战斗。德国人称这场无形的巷战为“老鼠战争”，在这种战斗中，所有战线都消失了，习惯于机动作战的德国士兵被迫进行激烈的巷战，例如穿越被炸的居民区，办公区，地下室和高层公寓进行战斗。有时苏军和德军在同一层，苏军在一边，德军在另一侧，双方通过一个墙上的洞相互射击。
马马耶夫岗是这座城市的最高点，这里的战斗特别艰辛，该地在双方的争夺中多次易手。 到9月12日，苏联第62集团军只剩下90辆坦克，700门迫击炮和大约20,000名士兵。9月13日，苏联红军第13近卫步兵师的任务是收复马马耶夫岗及一号火车站，为此第13近卫步兵师蒙受了巨大损失。在战斗开始的24小时内便阵亡了全师的三分之一，在整个战役中全师原本10,000人只有320人存活下来。以上两个目标已经实现，但只是暂时的。火车站在6小时内14度易手。第二天晚上，第13近卫步兵师消失了，但是该师的士兵消灭了大约相同数量的德国士兵。战斗在一个巨大的谷物仓库附近进行了数周。经过激烈的战斗，当德军最终占领该地区时，发现只有40人被苏军杀死。苏军部队在撤离之前焚烧了这里存放的粮食。
巴甫洛夫要塞
在城市的其他地方，由雅科·巴甫洛夫指挥的苏军的一个排，将一栋俯瞰城市中心广场的建筑变成了坚不可摧的堡垒，后来称之为巴甫洛夫大楼。他们在窗户处布置了机关枪，并打通了地下室之间的墙壁，以建立更好的沟通联系。士兵们发现地下室藏有大约10名平民，并号召他们一起战斗。在接下来的两个月中他们没有得到增援。战役结束后，崔可夫开玩笑地说，企图占领巴甫洛夫大楼的阵亡的德军比占领巴黎期间阵亡的人数还多。根据比弗的资料显示，在第二个月时德军每一波进攻中，都试图攻占这座建筑。苏联击退了他们，并还要及时清理德军的尸体以免阻碍性的机枪和反坦克炮的视线。这座建筑在德军地图上被称为 “要塞”。 巴甫洛夫因为其英勇表现而被授予苏联英雄称号。
由于并未看到出战斗结束的迹象，德军开始调动重型火炮进入市区，其中包括一门巨大的800毫米铁道炮，昵称朵拉。但是，德军没有试图派出部队穿越伏尔加河，这就导致苏军可以在东岸建立大量炮兵阵地。这些大炮不断向德军阵地开火，苏联守军将大炮造成的废墟变成防御阵地。德国坦克在高达8米的废墟中中变得毫无用处，而且还成为了在破烂建筑物中的苏军反坦克炮的攻击目标。
800毫米铁道炮
苏联狙击手还利用了废墟，给德军造成了巨大的人员伤亡。最著名的是瓦西里·柴契夫，他杀死了242名敌军，总共杀死300多人。他还杀死了一个很可能是虚构的德国王牌狙击手，著名的欧文·柯尼希。柴契夫和其他30多名在狙击学校训练出的狙击手共杀死了3000多名德国士兵。 柴契夫使用的是一支标准的莫辛-纳甘步枪及PTRD-41 14.5毫米反坦克步枪。PTRD-41 14.5毫米反坦克步枪用于射击不在窗口而躲在墙后的德国士兵，14.5毫米的子弹可以穿透砖墙。 .. 柴契夫因战斗而被授予苏联英雄称号。
此时无论是斯大林还是希特勒，斯大林格勒都已经成为威望的象征，而不仅仅是其实际的战略意义。 苏联已下令红军的战略预备队从莫斯科地区转移至伏尔加河下游，并动员飞机从全国各地前往斯大林格勒地区。双方军事指挥官都很紧张。 保卢斯的双眼无法控制的抽筋，最终伤害了他的左脸颊。 崔可夫出现湿疹，双手被完全捆扎。 双方部队都面临非常激烈的近战巷战。
空军较量
为了粉碎苏军的抵抗力量，德国空军的第4航空队的斯图卡俯冲轰炸机于10月5日飞行了700架次，轰炸了捷尔任斯基拖拉机厂。一些苏军步兵团被消灭。第二天早上的空袭杀死了整个苏军第339步兵团。10月中旬，德国空军加强了对在西岸红军其余阵地的轰炸。到这个时候，苏联空军的抵抗已经不再有效。 10月14日，德国空军第4航空队进行了2000架次飞行，并投下了600吨炸弹。同时，德国步兵包围了北部的三个工厂。斯图卡俯冲轰炸机第1，第2和第77中队在伏尔加河东岸压制了苏军的炮兵阵地，并袭击了试图补给的船只。第62集团军已被切成两半，及由于对其供应船只的密集轰炸而陷于崩溃。
面对苏军在伏尔加河仅有的长910米的阵地，德军出动超过1,208架次的斯图卡俯冲轰炸机飞临上空进行轰炸。虽然面对猛烈的空袭苏军第62集团军在西岸抵抗德国第6集团军及第4装甲集团军的部队有47,000名士兵和19辆坦克。
斯图卡俯冲轰炸机
德军制空权一直保持到11月初，但是经过20,000架次飞行之后，可起飞的数量从1600架减少到950架，其中只有480架轰炸机仅剩232 架。第4航空队未能阻止苏联空军力量的发展。在反击阶段，苏联空军的力量已经超过了第4航空队。
苏联轰炸机部队在过去的18个月中付出了巨大的损失，以致只能在夜间行动。从7月17日至11月19日，苏军于夜间在斯大林格勒及顿河河套地区飞行了11,317架飞机。在出击中，这些空袭造成了有限的破坏和骚扰性的价值。德国空军的情况变得越来越困难。 11月8日，第4航空队的许多部队撤离，以应对盟军在北非的着陆。德国空军分散在整个欧洲，无法维持苏德战线南部等地区。
经过三个月的杀戮以及缓慢推进后，德军终于到达了河岸，占领了90％破烂不堪的市区，但是，战斗在马马耶夫山的山坡和城市北部的工厂区仍很激烈。红色十月钢铁厂、捷尔任斯基拖拉机厂及巴里卡迪兵工厂已变成举世闻名。当苏联军队保卫这些工厂时，工厂工人就在战场附近，有时甚至在战场上修理坦克和武器。这些平民虽然没有经过战斗训练，但有时还是自愿代表死亡或受伤的士兵驾驶坦克。
