סטלין, שייחס חשיבות רבה מאוד, הן צבאית והן פוליטית, להמשך ההחזקה בסטלינגרד, שלח בסוף אוגוסט את גאורגי ז'וקוב, אחד המפקדים המוכשרים ביותר של הצבא האדום ואיש אמונו, לאזור סטלינגרד כדי למנוע את נפילת העיר לידי הגרמנים. המשימה שהוטלה על ז'וקוב הייתה לפקד על מתקפת הנגד של כוחות מחזית סטלינגרד (בפיקוד גנרל וסילי גורדוב) על הכוח הגרמני, שהגיע אל הוולגה מצפון לעיר. המתקפה נועדה לקטוע את הטריז הגרמני ולחדש את הקשר עם הארמייה ה-62 בסטלינגרד, או לפחות להסיט כוחות גרמניים גדולים ככל האפשר מהמתקפה על העיר. ב-3 בספטמבר תקפה ארמיית המשמר הראשונה את הכוחות הגרמניים ללא הצלחה. ב-5 בחודש הצטרפו למתקפת הנגד גם הארמייה ה-24 והארמייה ה-66 מחזית סטלינגרד. המתקפה נמשכה ללא הפסקה עד ה-12 בחודש, מבלי שזכתה בהישגים משמעותיים, והכוחות התוקפים ספגו אבדות כבדות. אין נתונים מדויקים לגבי אבדות הצד הסובייטי במהלך המתקפה, שכונתה מתקפת קוטלבן הראשונה, אך דייוויד גלאנץ העריך אותן בכ-80 אלף נפגעים וכ-300 טנקים. ז'וקוב תרץ בזכרונותיו את כישלון מתקפת הנגד, בכך שהיא לא הוכנה כראוי, בעקבות דרישת סטלין לפתוח במתקפה מיד ובכל מחיר, ולא קיבלה סיוע מספיק של מטוסים, טנקים וארטילריה. עם זאת, המתקפה ריתקה 5 דיוויזיית גרמניות, כולל כל קורפוס הפאנצר ה-14, וגרמה להם אבדות ניכרות בכוח אדם ובנשק כבד (אם כי האבדות הגרמניות היו קלות בהשוואה לאבדות הצד הסובייטי). מטוסי הלופטוואפה הופנו לסייע בהדיפת התקפות הנגד הסובייטית, והלחץ הגרמני על הארמייה ה-62 פחת למשך מספר ימים קריטיים.
המערכה בתוך העיר (ספטמבר-נובמבר 1942).
ב-12 בספטמבר מינתה מועצת המלחמה של החזית הדרום-מזרחית את הגנרל וסילי צ'ויקוב, שהוכיח את יכולתו בקרבות המגננה שניהלה הארמייה ה-64 במהלך חודש אוגוסט מדרום לסטלינגרד, למפקדה החדש של הארמייה ה-62, בצירוף פקודה חד משמעית להגן על העיר עד האיש האחרון.
הארמייה ה-62 ספגה אבדות כבדות מאוד במערכה על דרכי הגישה לסטלינגרד, איבדה את מרבית הארטילריה שלה ונמצאה במצב של דמורליזציה. על הנייר היא כללה 12 דיוויזיות, 5 בריגדות עצמאיות וקורפוס טנקים (ה-23), אולם רוב היחידות שלה נותרו עם פחות משליש ממצבת כוח האדם המלאה שלהן, ו-6 מהדיוויזיות נותרו עם פחות מאלף חיילים. בנוסף, יחידות הארמייה סבלו ממחסור חמור בנשק מסייע ובכלי נשק אוטומטיים, כולל מקלעים קלים וכבדים. מפקד הארמייה הקודם, אנטון לופאטין, הודח מתפקידו כבר ב-6 בספטמבר על ידי יריומנקו. הוא לא האמין שניתן להחזיק בסטלינגרד, וביקש לסגת לגדה המזרחית של הוולגה, וגישה זו חילחלה לדרגים הנמוכים יותר של הפיקוד ופגעה במורל הגייסות. קצין המבצעים של הארמייה, קרילוב, מילא באופן זמני את תפקידו של לופאטין, עד למינוי מחליף קבוע למפקד הארמייה.
קיימת מחלוקת לגבי כוחה של הארמייה ה-62 ערב פתיחת המתקפה הגרמנית על סטלינגרד. לפי המחקר של אלכסיי איסייב, כללה הארמייה בשלב זה כ-50 אלף איש, 172 תותחים, 566 מרגמות, וכ-100 טנקים (56 מבצעיים, והשאר נייחים). כ-20 אלף מחיילי הארמייה השתייכו לדיוויזיית הנ.ק.וו.ד ה-10 (ששימשה כחיל מצב של סטלינגרד, ולפחות פורמלית לא הייתה כפופה לפיקוד הצבא האדום) ול-3 בריגדות מיוחדות של מיליציית פועלים, שפעלו תחת פיקודה. אנטוני ביוור נוקב במספר נמוך בהרבה מאיסייב, כ-20 אלף חיילים בסך הכל. הארמייה ה-62 החזיקה ברצועת קרקע, שעומקה הממוצע לא עלה על 9 ק"מ, בגדה המערבית של הוולגה. פיקוד החזית ציפה שצ'ויקוב יחזיר לארמייה החבוטה את רוח הלחימה וייצב את המצב בתוך סטלינגרד.
יחידות הארמייה הגרמנית ה-6 וארמיית הפאנצר ה-4, שעמדו לתקוף את סטלינגרד, ספגו אף הן עשרות אלפי נפגעים במהלך השלבים הראשונים של מבצע "כחול" ובמערכה על דרכי הגישה לעיר. הן היו מותשות לאחר כחודשיים וחצי של לחימה ללא הפוגה, ומכיוון שהפיקוד הגרמני התקשה להשלים את כל האבדות שספגו בכוח אדם ובציוד, כוחן היה הרבה מתחת לתקן, אך עדיין היו חזקות פי כמה מהיחידות הסובייטית שעמדו מולן.
המתקפה הגרמנית הראשונה.
ב-13 בספטמבר פתחו שבע דיוויזיות גרמניות, שכללו כ-80 אלף חיילים וכ-400 טנקים, במתקפה גדולה על סטלינגרד, בניסיון לכבוש את העיר בסערה. ארבע דיוויזיות מקורפוס הפאנצר ה-48 של ארמיית הפאנצר הרביעית תקפו את חלקה הדרומי של העיר, ובמקביל תקפו שלוש דיוויזיות חיל רגלים מהקורפוס ה-51 של הארמייה השישית את מרכז העיר.
רוב היחידות החזקות ביותר, שנותרו לארמייה ה-62, היו מרוכזות בחלק הצפוני של סטלינגרד, במטרה לסייע למתקפת הנגד של חזית סטלינגרד (מתקפת קוטלבן הראשונה), שנועדה לחסל את המבלט הגרמני מצפון לעיר. כתוצאה מכך, היחידות שהגנו על החלק המרכזי ובמיוחד על החלק הדרומי של העיר היו חלשות יחסית, אם כי הם כללו את מרבית יחידות הטנקים שנותרו לארמייה. הכוחות הגרמנים התוקפים נהנו מעדיפות גדולה בכוח אדם ובמיוחד במטוסים ובארטילריה. הם גם עשו שימוש נרחב בתותחי סער, שהתגלו כיעילים מאוד בלחימה בשטח עירוני, וכ-50 מהם הופעלו בשלב הראשון של המתקפה הגרמנית, בעוד שלכוחות הסובייטיים המגינים לא היו כלל תותחים מתנייעים.
המתקפה הגרמנית ב-13 בספטמבר נתקלה בהתנגדות סובייטית עזה, והתקדמות הכוחות התוקפים הייתה איטית, במיוחד בחלק הדרומי של סטלינגרד, שם לא הצליחו הגרמנים להשיג התקדמות משמעותית ביומיים הראשונים של המתקפה. אולם במהלך היום הצליחו יחידות הקורפוס ה-51 להשמיד או להוציא מכלל פעולה חלק גדול מהטנקים שנותרו לקורפוס הטנקים הסובייטי ה-23, שהגן על אזור מרכז העיר. ב-14 בחודש הצליחו שתיים מהדיוויזיות של הקורפוס ה-51, בסיוע ארטילרי ואווירי מסיבי, להבקיע את קווי ההגנה הסובייטיים במרכז העיר, לאחר שהדפו התקפת נגד סובייטית חלשה בשעות הבוקר, להתקדם מספר קילומטרים ולהגיע עד למרחק קצר מאוד מנהר הוולגה. הדיוויזיה ה-295 של הקורפוס הייתה קרובה להשלים את כיבוש גבעת מאמייב (נ.ג 102.0), תל קבורה טטרי במרכז סטלינגרד שחלש על העיר כולה, ועל המזחים שעל נהר הוולגה. הדיוויזיה ה-71, שתקפה מדרום לה, הגיעה עד מרחק קצר מאוד מהמעגן המרכזי של סטלינגרד, שהארמייה ה-62 הייתה תלויה בו לקבלת אספקה ותגבורות, והייתה קרובה מאוד לפצל לשניים את מערך ההגנה הסובייטי בעיר. בשעות אחר הצהריים, השתלט הרגימנט המוביל של הדיוויזיה על מספר רבי קומות ומבנים שולטים סמוך לגדת הוולגה, מהם שלט באש על נקודות החציה שעל הנהר. היחידות הגרמניות כבשו גם את תחנת הרכבת המרכזית של סטלינגרד, והגיעו למרחק קצר מבונקר הפיקוד של הארמייה ה-62, שנמצא סמוך לשפך נהר צאריצה לוולגה. צ'ויקוב הטיל את העתודות האחרונות שנותרו ברשותו, לשורת התקפות נגד נואשות, במטרה להרחיק את הגרמנים מגדת הוולגה, ולכבוש מחדש את אזור תחנת הרכבת המרכזית ואת פסגת תל מאמייב.
הארמייה ה-62 הייתה על סף התמוטטות, וצ'ויקוב דרש להחיש לה תגבורות בדחיפות. דיוויזיית המשמר ה-13 בפיקוד גנרל אלכסנדר רודימצב, שהייתה בתקן כמעט מלא (10,000-9,500 חיילים), נשלחה לתגבר את הארמייה כבר ב-9 בספטמבר. היא הגיעה לאזור קראסנאיה סלובודה בגדה המזרחית של הוולגה ב-13 בחודש, והחלה לחצות את הנהר בליל 15/14 בחודש. הגדודים של הדיוויזיה חצו את הנהר בזה אחר זה בסירות ובדוברות (תהליך שארך זמן רב והושלם רק ב-16 בספטמבר), במספר נקודות בין שפך נהר צאריצה בדרום למפעל "קראסני אוקטובר" בצפון, והוטלו למערכה על מרכז סטלינגרד מיד עם הגעתם לגדה המערבית. הדיוויזיה ספגה אבדות כבדות ואיבדה כ-15 אחוז מכוחה ביום הלחימה הראשון, אך הצליחה לבלום את ההתקדמות הגרמנית במרכז סטלינגרד, הדפה את הגרמנים לאחור במספר גזרות, והרוויחה זמן יקר, שנדרש לייצוב מערך ההגנה ולהעברת תגבורות נוספות לארמייה ה-62. יחידות החלוץ הגרמניות, שהגיעו למרחק נגיעה מהוולגה במרכז סטלינגרד, מצאו עצמם במבלט, שהותקף על ידי כוחות סובייטיים משלושה עברים, ונאלצו לעבור למגננה. ב-16 בספטמבר הצליחו יחידות מדיוויזיית המשמר ה-13, בסיוע שרידי הדיוויזיה ה-112, לתפוס מחדש את פסגת תל מאמייב מידי הגרמנים. הלחימה סביב הגבעה הייתה קשה ואינטינסיבית במיוחד, והפסגה שלה עברה מיד ליד מספר רב של פעמים.
במקביל ללחימה במרכז העיר, השיגו יחידות קורפוס הפאנצר ה-48 התקדמות משמעותית בחלק הדרומי של סטלינגרד, ועד תום היום החמישי של המתקפה הגרמנית (17 בספטמבר), כבשו את רוב שטח העיר מדרום לערוץ נהר צאריצה, ודחקו את הכוחות הסובייטיים, שנותרו באזור זה לרצועה קרקע צרה סמוך לגדת הוולגה. כוחות סובייטיים קטנים המשיכו להחזיק במספר נקודות מפתח בדרום ובמרכז העיר - כגון ממגורת התבואה (שנפלה לידי הגרמנים רק ב-22 בספטמבר), חנות הכל-בו "אוניברמאג", "מפעל המסמרים" ותחנת הרכבת המרכזית - והגנו עליהן עד לאיש האחרון, פשוטו כמשמעו.
ב-19 בספטמבר חידשו שלוש ארמיות של חזית סטלינגרד את המתקפה על האגף השמאלי של הארמייה השישית מצפון לסטלינגרד. המתקפה, שקיבלה על השם מתקפת קוטלאבן השנייה, נמשכה בהפסקות עד לסוף החודש. לאחר מספר הישגים ראשוניים, היא נבלמה על ידי הכוחות הגרמניים באזור (קורפוס הפאנצר ה-14 והקורפוס ה-8), והכוחות התוקפים ספגו במהלכה עשרות אלפי נפגעים. אולם כפי שאירע במתקפות סובייטיות קודמות, שהונחתו על גזרה זו, המתקפה החדשה ריתקה כוחות גרמניים חזקים, והקלה במעט את הלחץ הגרמני שהופעל על הכוחות הסובייטיים בתוך העיר סטלינגרד.