30 сентября дивизия была передана в состав 62-й армии под командованием генерала В. И. Чуйкова и в ночь на 3 октября передислоцирована в Сталинград и затем вышла к реке Мокрая Мечетка, где контратаковала противника, который вскоре отступил с нескольких улиц в районе Тракторного завода. 14 октября на участке дивизии противник перешёл в наступление. В середине дня 30 бомбардировщиков бомбили овраг за Тракторным заводом, где находился командный пункт Жолудева. В результате бомбардировок штабные блиндажи были завалены, а В. Г. Жолудев был контужен. Затем неделю велись бои в цехах Тракторного завода, а затем они перенесены в район заводов «Баррикады» и «Красный Октябрь», в ходе которых дивизия практически была уничтожена. После контрнаступления под Сталинградом, оставив в городе сводный полк, 37-я гвардейская дивизия была направлена на переформирование. Вскоре, зимой 1943 года, дивизия вела боевые действия в ходе в Курской операции.