המתקפה הגרמנית על האזור התעשייתי של סטלינגרד נמשכה כמעט ללא הפוגות עד סוף אוקטובר. הארמייה השישית הצליחה להשתלט על רובו הגדול, כולל כמעט כל שטח מפעל הטרקטורים, חלק גדול ממפעל "באריקדות", ועל חלקו הצפון-מערבי של מפעל "אוקטובר האדום". אולם הדיוויזיות הגרמניות שהשתתפו בלחימה בתוך העיר ספגו אבדות כבדות, בעיקר בקרב הפלוגות הרובאיות (החיילים הקרביים), והתחלופות שקיבלו לא הספיקו למלא את מקום האבדות. הן לא היו חזקות מספיק כדי לעקור את הארמייה ה-62 מהרצועה הצרה של חורבות בניינים, שנותרה בשליטתה בגדה המערבית של הוולגה, שעומקה המרבי לא עלה על 1,000 מטר. הארמייה ה-62 ספגה גם היא אבדות כבדות מאוד, ובחלק מהדיוויזיות שלה נותרו לא יותר מכמה מאות לוחמים.
אחד ההסברים להצלחת הארמייה ה-62 להחזיק מעמד, מצוי בטופוגרפיה של העיר סטלינגרד. המגינים הסובייטיים ידעו לנצל היטב את העובדה, שגדות הוולגה בצידו המערבי של הנהר תלולות ביותר, ויוצרות מעין צוקים המתנשאים מעל גדת הנהר. הם חפרו בתוך גדות הנהר מנהרות עמוקות, ומיקמו בתוכן את מוצבי הפיקוד ואת מאגרי האספקה והתחמושת שלהם. הלוחמים הסובייטיים שנסוגו לגדות הנהר, יכלו להתארגן מחדש בתוך המנהרות בביטחה יחסית, לקלוט תגבורות, ולהשתמש בהן כבסיסי יציאה להתקפות נגד על הכוחות הגרמניים, שהצליחו להגיע עד הוולגה. היה כמעט בלתי אפשרי לפגוע במנהרות הללו באש ארטילרית או בתקיפות מהאוויר.
החל מאמצע ספטמבר ועד סוף אוקטובר 1942 העביר הפיקוד הסובייטי עשר דיוויזיות חי"ר ומספר בריגדות עצמאיות מעבר לוולגה כדי לתגבר את הארמייה ה-62 בסטלינגרד. לפי תיאורו של צ'ויקוב, כל אחת מיחידות התגבורת הללו "הצילה" בפרק זמן מסוים את סטלינגרד מנפילה לידי הגרמנים. מכיוון שחיל האוויר הגרמני שלט כמעט לחלוטין בשמיים מעל סטלינגרד, ושהחל מראשית אוקטובר כל השטח שנותר בידי הכוחות הסובייטיים בעיר, נשלט בתצפית ובאש על ידי הגרמנים, בוצעה העברת התגבורות כמעט תמיד בשעות הלילה, והיה צורך במספר לילות כדי להעביר דיוויזיה בשלמותה אל מעבר לוולגה. העברת הכוחות בוצעה תחת אש מתמדת (החל מאמצע אוקטובר היו כל המעגנים על הוולגה בטווח אש מקלעים, ועל אחת כמה וכמה אש ארטילריה), וחלק ניכר מהחיילים ביחידות התגבורות נפגעו בשלב חציית הנהר, או מיד לאחר הנחיתה בגדה המערבית. בהתחשב בכך שדיוויזיית חי"ר סובייטית ממוצעת באותה תקופה כללה כ-7,000 איש, ושיחידות הארטילריה ורוב היחידות הלוגיסטיות הושארו בגדה המזרחית, ניתן להעריך בזהירות, שכלל התגבורות שקיבלה הארמייה ה-62 לא עלו על 100 אלף איש (כ-82 אלף חיילים לפי מקורות סובייטיים).
עבור היטלר הפך כיבוש סטלינגרד לאובססיה ולעניין של יוקרה, ללא כל קשר לחשיבות הצבאית המעשית של כיבוש העיר. למעשה, מרגע שהצבא הגרמני החריב את מפעלי התעשייה הגדולים שפעלו בעיר, ושלט באש על נהר הוולגה, לא הייתה כל חשיבות אסטרטגית להשלמת כיבוש סטלינגרד עד למטר האחרון. שום דבר לא מנע מהגרמנים לפעול בהתאם לתוכניתם המקורית - לבנות מערך הגנתי, שישתרע ברובו לאורך נהר הדון, ויגן על אגפם הצפוני מפני התקפות נגד סובייטיות, ולהפנות את הכוח העיקרי של קבוצת ארמיות B דרומה, כדי לסייע בכיבוש הקווקז. נסיגה מסטלינגרד הייתה גם מאפשרת לגרמנים ליצור עתודה ניידת חזקה מספיק לבלום כל התקפת נגד סובייטית מכיוון צפון או מזרח. במקום זה המשיך הפיקוד הגרמני לשלוח עוד ועוד תגבורות לסטלינגרד, כדי להשלים את כיבוש העיר. עם זאת, התגבורות שקיבלה קבוצת ארמיות B בחודשים יולי-נובמבר 1942, לא פיצו על האבדות שהיא ספגה במהלך קרב סטלינגרד (גירעון של כ-56 אלף איש). תגבור הכוחות הגרמניים שלחמו בתוך סטלינגרד, בוצע על חשבון החלשת הכוחות, שהגנו על האגף הצפוני של קבוצת הארמיות לאורך נהר הדון. ב-8 בנובמבר, בנאום חגיגי לרגל יום השנה לפוטש במרתף הבירה ששודר ברדיו, הודיע היטלר ש
מהצד השני, גם התעמולה הסובייטית העניקה להגנה על סטלינגרד חשיבות, שעלתה בהרבה על חשיבותה המעשית. היא טיפחה את מיתוס הגבורה של מגני סטלינגרד, והפכה את העיר לסמל העמידה הסובייטית מול גרמניה הנאצית, עובדה שהעניקה חשיבות עצומה ליכולתה של הארמייה ה-62 לשמור על דריסת רגל בחורבות העיר. עם זאת, הפיקוד הסובייטי העליון נהג חסכנות רבה בהזרמת תגבורות ולעיתים אף בהקצאת תחמושת לארמייה ה-62 (למרות מחאות נמרצות מצד פיקוד הארמייה). כוחה של הארמייה לא עלה על 54 אלף חיילים בשום שלב של הקרב בתוך העיר. הפיקוד הסובייטי ייחס חשיבות להמשך האחיזה בסטלינגרד, בעיקר משום שהיא ריתקה את יחידות העילית הגרמניות למערכה בתוך העיר ובסביבתה הקרובה, ובכך אפשרה לפיקוד הסובייטי לרכז בחשאי כוחות עתודה גדולים לצורך התקפת נגד גדולה על האגפים של קבוצת ארמיות B.
המתקפה הגרמנית האחרונה.
עד ראשית נובמבר נתפסו כ-90% משטחה של סטלינגרד בידי הצבא הגרמני. גושי קרח על נהר הוולגה הקשו מאוד על מעבר אספקה ותגבורות לשרידי הארמייה ה-62 הנצורה. בימים הראשונים של נובמבר השתררה הפוגה יחסית בקרבות, אך ב-11 בחודש החלו הגרמנים במתקפה חדשה (מבצע Hubertus) במטרה לעקור את הכוחות הסובייטיים מהשטח שנותר בידם בחורבות העיר.
במתקפה השתתפו כוחות משימה ("קַמְפְּפְגְרוּפֶּה") משבע דיוויזיות חי"ר ומשתי דיוויזיות פאנצר, אך מרבית היחידות שנטלו בה חלק ספגו אבדות כבדות בקרבות קודמים בסטלינגרד, והיו מותשות לחלוטין.
שמונה גדודי הנדסה קרבית, שחלקם הוטסו במיוחד לסטלינגרד, היוו את חוד החנית של המתקפה החדשה. למרות העדיפות הניכרת ממנה נהנו הכוחות התוקפים, שפעלו בגזרה צרה ברוחב חמישה ק"מ בלבד, המתקפה לא זכתה להצלחה רבה. ההישג הגרמני העיקרי היה ניתוק דיוויזיית החי"ר ה-138 ושרידים של שתי דיוויזיות נוספות (דיוויזיית המשמר ה-37 והדיוויזיה ה-308) שלחמו תחת פיקודה, מהכוח העיקרי של הארמייה ה-62. הדיוויזיה נותרה מבודדת בחלק הצפון-מזרחי של מפעל "באריקדות" בכיס שגודלו לא עלה על ק"מ מרובע. רוב ההתקפות הגרמניות בגזרות האחרות נהדפו.
לאחר יומיים של לחימה קשה, במהלכם ספגו הכוחות התוקפים אלפי נפגעים, תש כוחה של המתקפה הגרמנית. השטח שהוחזק על ידי הארמייה ה-62 באזור התעשייתי של סטלינגרד צומצם עוד יותר, וכוחותיה פוצלו לשלושה כיסים נפרדים, אך הגרמנים לא הצליחו לעקור אותה מהמאחז המרכזי שנותר בשליטתה, שהשתרע בין מפעל "אוקטובר האדום" בצפון, מורדות גבעת מאמייב במערב ומעגן המעבורת מול קראסנייה סלובודה בדרום.
הגרמנים הוסיפו לתקוף באמצעות כוחות קטנים יותר גם לאחר 12 בנובמבר. המאמץ העיקרי שלהם כוון כלפי המאחז הסובייטי המבודד שנותר באזור מפעל "באריקדות". הם הצליחו להגיע עד מרחק קצר ממפקדת הארמייה ה-62, ששכנה במנהרה שנחפרה בגדת הוולגה, ממזרח לקצה הדרומי של המפעל, ונהדפו לאחור במתקפת נגד נואשת בה השתתפו קצינים ממטה הארמייה. בדיוויזיה ה-138 (בפיקוד איוואן ליודניקוב) נותרו רק כמה מאות חיילים כשירים ללחימה, וגודלו של הכיס בו החזיקה צומצם לכמה מאות מטרים רבועים. הפיקוד הגרמני ריכז כוחות למתקפה אחרונה, שנועדה להשלים את חיסול כוחו של ליודניקוב. המתקפה נועדה להתחיל ב-19 בנובמבר, אך מתקפת הנגד הסובייטית באזור סטלינגרד, שנפתחה באותו בוקר, גרמה לביטולה.
מבצע "אורנוס".
ההכנות למתקפת הנגד.
בעוד שחלק ניכר מיחידות הארמייה השישית וארמיית הפאנצר הרביעית מכלות את כוחן בלחימה בתוך סטלינגרד, הוטלה ההגנה על האגפים הארוכים והפגיעים של איגוד הכוחות הגרמני, החל מאמצע אוקטובר 1942, על שתי ארמיות רומניות. הארמייה השלישית הגנה על האגף הצפוני, והחזיקה בגזרה ברוחב כ-140 ק"מ ממערב לברך הגדולה של הדון, ואילו הארמייה הרביעית נדרשה להגן על גזרה ברוחב כ-300 ק"מ מדרום לסטלינגרד בערבה הקאלמיקית. שתי הארמיות הורכבו ברובן מיחידות בעלות איכות כוח אדם וציוד ירודה, שסבלו ממחסור חמור בנשק כבד ובנשק מסייע (טנקים, ארטילריה ותותחי נ"ט). רוב היחידות הגרמניות, שנועדו לסייע לכוחות הרומניים ולחזק את עורפן, הועברו במהלך החודשים הבאים לסטלינגרד, כדי למלא את אבדות הכוחות שלחמו בתוך העיר.
קווי ההגנה הרומניים לא נשענו על מכשולים טבעיים. קו החזית מדרום לסטלינגרד לא היה צמוד לוולגה, ואילו מצפון לעיר, ממערב לברך הגדולה של נהר דון, החזיקו הכוחות הסובייטיים, החל מסוף אוגוסט 1942, בראש גשר רחב ועמוק בגדה הדרומית של הנהר, באזור קלצ'קאיה–סרפימוביץ. היטלר, ששימש כמפקד בפועל של הצבא הגרמני בחזית המזרחית החל מסוף שנת 1941, היה כל כך ממוקד בהשלמת כיבוש סטלינגרד, שסירב לכל בקשות הפיקוד הגרמני המקומי לתגבר את הכוחות הרומניים החלשים ולא התייחס להתרעות האבווהר בנוגע לריכוזי כוחות סובייטיים שנצפו מצפון ומדרום לעיר. ראש המטה הכללי של ה-OKH, פרנץ הלדר, הביע בפניו חששות מפני המצב המסוכן שנוצר באגפים של קבוצת ארמיות B, והמחלוקת סביב נושא זה הייתה אחת הגורמים להדחת האחרון מתפקידו ולהחלפתו בסוף ספטמבר 1942 על ידי קורט צייטצלר, שהיה צייתן יותר.