פיקוד החזית הורה לארמייה ה-62 להנחית שורת התקפות נגד על הכוחות הגרמניים בסטלינגרד, כדי לסייע למתקפה מצפון לעיר, ולשם כך תיגבר את הארמייה בדיוויזיה נוספת (דיוויזיית הרובאים ה-95), שהחלה לחצות את הוולגה בליל 19/18 בספטמבר. החל מה-19 בחודש ניהלה הדיוויזיה ה-95 שורת התקפות בגזרת תל מאמייב, במאמץ להשתלט מחדש על הגבעה האסטרטגית, אך לא זכתה להצלחה משמעותית, וספגה אבדות כבדות. במקביל תקפו כוחות נוספים של הארמייה ה-62, כולל שרידי קורפוס הטנקים ה-23, את הכוחות הגרמניים מצפון ומדרום לתל מאמייב, גם הם ללא הישגים משמעותיים.
ב-21 בחודש הצליחו הגרמנים לפרוץ אל הוולגה דרך ערוץ קורוטוי, להשתלט על אזור המעגן המרכזי ולנתק מספר יחידות סובייטיות, שהחזיקו במרכז העיר, מדרום לערוץ. אולם ניסיונות גרמניים לנצל את ההצלחה כדי להתקדם צפונה ודרומה לאורך הנהר ו"לקפל" את האגפים של הכוחות הסובייטיים, נכשלו. עד 24 בספטמבר דעכה המתקפה הגרמנית. הכוחות הגרמניים, שספגו אבדות ניכרות במהלך הלחימה הקשה, היו זקוקים לפסק זמן לצורך קבלת תגבורות והתארגנות מחדש. הם השלימו כמעט את כיבוש חלקה הדרומי של סטלינגרד והשתלטו גם על חלק גדול ממרכז העיר, אך ההתנגדות הסובייטית הלכה והתחזקה. אף על פי שלקבוצת ארמיות B היו כ-20 דיוויזיות באזור סטלינגרד, פחות ממחציתן (8–10 דיוויזיות) יכלו להשתתף בפועל בלחימה בתוך העיר. שאר הכוחות של קבוצת הארמיות רותקו להגנה על שני האגפים של איגוד הכוחות הגרמני שתקף את סטלינגרד מפני התקפות נגד עזות שביצעו כוחות סובייטיים מדרום ומצפון לעיר.
צ'ויקוב הצליח להפיח רוח קרב חדשה בחייליו, שצברו ניסיון וביטחון בלוחמה בשטח בנוי ולמדו להתמודד עם השריון הגרמני. כדי לנטרל את העדיפות הגרמנית בטנקים ובמטוסים, וכדי להתמודד עם הטקטיקה ההתקפית הגרמנית - שהתבססה על שיתוף פעולה הדוק בין חי"ר, ארטילריה, כלי רכב משוריינים ומטוסים - פיתחה הארמייה ה-62 טקטיקה נגדית, שהתבססה על צמצום המרחק בין המגינים הסובייטיים לבין הכוחות הגרמניים התוקפים עד למינימום האפשרי (לא יותר מ-50 מטר). צ'ויקוב קרא לטקטיקה זו "חיבוק" של הגרמנים. היא הקשתה על האחרונים להעניק סיוע אווירי קרוב וסיוע ארטילרי לכוחות הקרקע שלהם, מחשש לפגוע בחייליהם במקום באויב. היחידות הסובייטיות חתרו כל הזמן למגע עם הכוחות הגרמניים שעמדו מולם, והרבו לבצע התקפות נגד באמצעות יחידות קטנות ומאומנות היטב ("קבוצות סער") בעיקר בשעות הלילה, כדי לכבוש מחדש מבנים ועמדות שהוחזקו על ידי הגרמנים ולשמור על מגע קרוב איתם.
הארמייה ה-62 עשתה גם שימוש נרחב בצלפים, שהסבו אבדות ניכרות לגרמנים ומנעו תנועה חופשית ברחובות ובקרבת החזית. הטנקים הגרמניים התקשו לתפקד ביעילות בתוך ההריסות של העיר החרבה, והחיילים הסובייטיים ניצלו היטב את הריסות הבניינים (שיצרו ההפגזות וההפצצות הגרמניות), כדי להטמין מוקשים ומארבי נ"ט לשריון הגרמני. התוצאה הייתה קרבות מבית לבית, על כל בניין מגורים, כל מבנה תעשייה וכל מרתף. הגרמנים כינו סוג זה של לחימה "Rattenkrieg" - לוחמת עכברושים.
המערכה על האזור התעשייתי של סטלינגרד.
ב-27 בספטמבר חידשו הגרמנים את המתקפה על סטלינגרד, והפעם ריכזו את עיקר מאמציהם בכיבוש חלקה הצפוני התעשייתי של סטלינגרד, שכלל שלושה מפעלי תעשייה גדולים ("אוקטובר האדום", "באריקדות", ומפעל הטרקטורים), מספר מפעלים קטנים יותר (מפעל "סיליקט", המפעל הכימי "לאזור", מפעל הלבנים ועוד) ושיכוני הפועלים הצמודים אליהם. למרות התנגדות הגבורה של המגינים הסובייטיים, הצליחו הגרמנים להתקדם בהדרגה, בסיוע אלפי גיחות יומיות של הלופטוואפה. המתקפה הגרמנית נמשכה כמעט ללא הפוגה במשך 11 יום. הגרמנים הצליחו להשתלט על מרבית שטח שיכוני הפועלים והארמייה ה-62 נדחקה לאחור כמעט עד למפעלים עצמם, שם נבלמה בסופו של דבר המתקפה הגרמנית. באזור גבעת מאמייב המשיכו להתנהל קרבות אכזריים כל העת. הכוחות הסובייטיים איבדו את השליטה על פסגת הגבעה, אך גם הגרמנים לא הצליחו להתבסס עליה, והיא נותרה שטח הפקר בין הצדדים היריבים.
החל מ-29 בספטמבר תקפו הגרמנים גם את "מבלט אורלובקה", בליטה סובייטית בקו החזית ברוחב 5 ק"מ ובעומק 20 ק"מ מצפון-מערב לאזור התעשייתי של סטלינגרד. הכוחות הסובייטיים החלשים יחסית שהחזיקו במבלט הותקפו על ידי כוחות משלוש דיוויזיות גרמניות, ולאחר כמעט עשרה ימים של לחימה עיקשת נאלצו שרידיהם לסגת לכיוון שיכון הפועלים של בית החרושת לטרקטורים. הגרמנים ספגו אבדות כבדות במהלך הלחימה, אך גם דמה של הארמייה ה-62 הוקז כמעט לחלוטין. השטח שנותר בשליטה סובייטית בסטלינגרד הצטמצם מאוד, והמעגנים על נהר הוולגה, ששימשו "צינור החיים" של הארמייה ה-62, הפכו פגיעים יותר ויותר לאש גרמנית, כולל לעיתים אש מקלעים בכינון ישיר.
הארמייה ה-62 לא הייתה מצליחה להחזיק מעמד לולא הסיוע המאסיבי שקיבלה מכוחות הארטילריה שרוכזו בגדה המזרחית של הוולגה, שכללו גם מספר רב של מטולי רקטות רב-קניים מדגם "קטיושה", וממטוסי חיל האוויר הסובייטי שהפציצו את הכוחות הגרמניים בעיקר בשעות החשיכה (בשעות היום חיל האוויר הגרמני שמר על שליטה מוחלטת בשמיים מעל סטלינגרד). אחת מיחידות המפציצים המפורסמות, שהשתתפה בגיחות ההפצצה הליליות על הגרמנים, הורכבה מנשים בלבד, וקיבלה את הכינוי מכשפות הלילה.
בהתאם לדרישת צ'ויקוב, השאירה כל דיוויזיה שנשלחה לתגבר את הארמייה ה-62 את יחידות הארטילריה שלה (למעט תותחי הנ"ט והמרגמות) בגדה המזרחית של הנהר, ויחידות אלו הופעלו במרוכז על ידי מפקד הארטילריה של הארמייה. הארטילריה הסובייטית הפגיזה את הכוחות הגרמניים ללא הפוגה, גרמה להם אבדות כבדות ולא אפשרה להם לנוח בשעות הלילה. היא ריכזה את פעילותה בעיקר באזורי העורף הגרמניים, ובהפגזת ריכוזי כוחות שהתכוננו להתקפה בקרבת קווי החזית, וכוונה על ידי צופי ארטילריה שפעלו בקווי החזית הקדמיים. התקפות גרמניות לא מועטות הוכשלו באמצעות ריכוזי אש ארטילרית מכוונים היטב.
בראשית אוקטובר, העומק המרבי של ראש הגשר שהוחזק על ידי הארמייה ה-62 בסטלינגרד לא עלה על 3 ק"מ. לאחר שהגרמנים השתלטו לבסוף על פסגת גבעת מאמייב, הם יכלו לשלוט באש על כל רוחבו ועומקו של מערך ההגנה הסובייטי, ולטווח במדויק את אש הארטילריה שלהם על כלי השיט שניסו להעביר אספקה ותגבורות לארמייה ה-62. לאחר הפוגה קצרה של מספר ימים, שנוצלה על ידי הסובייטים לביצוע התקפות נגד מקומיות, שנועדו להרחיב במקצת את השטח שבשליטתם, חידשו הגרמנים את המתקפה על האזור התעשייתי של סטלינגרד.
ב-14 באוקטובר תקפו שתי דיוויזיות רגלים ושתי דיוויזיות פאנצר, בסיוע יותר מ-2,000 גיחות שביצעו 1250 מטוסים של קורפוס האוויר הגרמני השמיני, את הכוחות הסובייטיים שהגנו על אזור מפעל הטרקטורים על שם דרז'ינסקי. הכוח התוקף כלל 83 טנקים ו-31 תותחי סער. הכוחות הסובייטיים, שהגנו על האזור שהותקף, כללו 3 דיוויזיות רגלים בתקן חסר, מספר יחידות מיליציה ובריגדת טנקים, וכוחם הכולל לא עלה על עשרת אלפים חיילים. ההפצצה וההרעשה המקדימה גרמו אבדות כבדות לכוחות המגינים, ניתקו את קווי התקשורת שלהן ופגעו קשות במערך הפיקוד והשליטה של היחידות, שהחזיקו בגזרה שהותקפה. ביומיים הראשונים של המתקפה החדשה, הצליחו הגרמנים להתקדם כ-2 ק"מ בחזית צרה, להשתלט על חלק גדול משטח המפעל, להגיע עד לוולגה, ולבתק לשניים את השטח בו החזיקה הארמייה ה-62 בסטלינגרד. הכוח הסובייטי שהחזיק בשכונות ריינוק וספארטנובקה, בפאתיה הצפוניים של סטלינגרד, נותק מהגוף העיקרי של הארמייה וכותר, אך ניסיונות הגרמנים להשמיד אותו נכשלו.
צ'ויקוב טען בזכרונותיו, שביום הראשון של המתקפה ספגו הגרמנים למעלה מ-3,000 הרוגים, אך הודה שגם כוחותיו ספגו אבדות כבדות מאוד. בליל 15 באוקטובר פונו כ-3,500 פצועים סובייטיים לגדה המזרחית של הוולגה, מספר שיא בכל תקופת הקרבות בסטלינגרד. דיוויזיית המשמר ה-37, שספגה את המהלומה הגרמנית העיקרית, הושמדה כמעט לחלוטין עד 17 באוקטובר. לפי המקורות הגרמניים, אבדות הארמייה השישית ב-14 באוקטובר היו קלות בהשוואה לאבדות הצד הסובייטי, וכללו 538 נפגעים ו-22 טנקים ותותחי סער בלבד.
ב-16 באוקטובר החליט פאולוס להפנות את המאמץ העיקרי שלו דרומה, במטרה לנצל את ההצלחה לכיבוש שני המפעלים הגדולים הנותרים ברובע התעשייה של סטלינגרד ("בריקאדי" ו"קראסני אוקטובר") ולמיטוט מערך ההגנה הסובייטי. צ'ויקוב נאבק להרוויח זמן כדי לערוך מחדש את כוחותיו ולתגבר אותם, במטרה לייצב מחדש את חזיתו ולהגן על האגף הימני החשוף של הארמייה ה-62. הפיקוד הסובייטי תיגבר את הארמייה שלו בדיוויזיה נוספת (דיוויזיית הרובאים ה-138), אך נדרש לאחרונה זמן רב לחצות את הוולגה, והיא השלימה את העברת כוחותיה העיקריים לגדה המערבית של הנהר רק ב-17 בחודש.
ב-19 באוקטובר פתחו כוחות חזית הדון במתקפה חדשה על הכוחות הגרמניים מצפון לסטלינגרד, במטרה לסייע לארמייה ה-62 הלחוצה. במקביל פתחה גם הארמייה ה-64 מחזית סטלינגרד במתקפת הסחה על האגף הגרמני הדרומי באזור קופורוסנויה. שתי המתקפות לא נחלו הצלחה משמעותית, אך הן הקלו במעט את הלחץ על הכוחות הסובייטיים בסטלינגרד למשך מספר ימים, ואפשרו לארמייה ה-62 לייצב את מערך ההגנה שלה ולקבל תגבורות. גאורגי ז'וקוב טען בדיעבד שהתקפות הנגד שהנחיתו הכוחות הסובייטיים על האגפים של איגוד הכוחות הגרמני שתקף את סטלינגרד, הצילו למעשה את הארמייה ה-62 ומנעו את התמוטטותה ברגע קריטי במערכה בסטלינגרד.