Найсерйознішим потрясінням в історії міста стала Німецько-радянська війна. Сталінградська битва розпочалася 17 липня 1942 року, а 23 серпня місто зазнало масованого бомбардування, що знищило або серйозно пошкодило велику частину міських будівель. У вересні бої йшли вже в центрі міста. Битва за Сталінград є однією з найбільших битв в історії всього людства. У Сталінграді відбувалися бої небаченої інтенсивності. Наприклад, центральний вокзал міста переходив з рук в руки тринадцять разів, а відомий Мамаєв курган (одна з висот Волгограда) було захоплено і знову відбито вісім разів. Через інтенсивні бої курган змінив свої обриси. Все ж таки, наступаючим військам вермахту не вдалося зламати опір захисників міста. 19 листопада розпочався контрнаступ радянських військ, незабаром німецько-фашистське угруповання опинилося в оточенні. 31 січня 1943 її командувач генерал-фельдмаршал Паулюс здався в полон, а 2 лютого, з ліквідацією залишків оточеного угруповання, Сталінградська битва була закінчена. Почалося відновлення практично повністю зруйнованого міста.