9月13日，德军开始攻城。保卢斯第6集团军担当主力，从城北实施猛烈突击。霍特第4装甲集团军则从城南推进，策应保卢斯在城北的主攻。14日，德军从城北突入市区，与守卫该城的苏第62集团军展开了激烈的巷战。15日，德军对马马耶夫高地实施重点突击。该高地是斯大林格勒地势最高的一块地方，从这里可以俯瞰和控制全城，崔可夫中将的第62集团军司令部即设在这里。经过一天激战，德军占领了马马耶夫高地，但在16日，苏近卫第13师渡过伏尔加河进入斯大林格勒，突然向德军发起反冲击，又夺回了该高地。9月25日，德军占领了市中心，27日冲进了北部工厂区，并重新占领了马马耶夫高地，但在29日又被苏军夺回。以后的战斗更加激烈。德第6集团军的一位叫汉斯·德尔的军官在《进军斯大林格勒》一书中写到：“敌我双方为争夺每一座房屋、车间、水塔、铁路路基，甚至为争夺一堵墙、一个地下室和每一堆瓦砾都展开了激烈的战斗。其激烈程度是前所未有的，甚至第一次世界大战也不能相比。我们早晨攻占了20公尺，可是一到晚上，俄国人又夺了回去。”

    9月28日，苏军最高统帅部决定将斯大林格勒方面军改称顿河方面军，司令员为罗科索夫斯基中将；东南方面军改称斯大林格勒方面军，司令员为叶廖缅科上将；近卫第1集团军扩建为西南方面军，司令员图瓦京中将。副最高统帅朱可夫大将和总参谋长华西列夫斯基上将奉命秘密拟制反攻计划。