斯大林格勒战役
戰役初期

蘇軍已作準備。苏军利用船隻渡過以對全城補給糧食、牛和鐵路機車車輛，這樣令蘇軍在德軍攻擊開始前暫時解決城市內糧食短缺的問題。一些工廠仍在生產，特別是其中一間生產T-34坦克。在德意志國防軍到達前，德國空軍已大规模轟炸伏爾加河，特別是切斷進入該市之補給路線，令蘇軍船隻不能使用，從7月25日至7月31日，32艘蘇軍船隻被擊沉，另外9艘被迫報廢。
該戰役是在由沃爾弗拉姆·馮·里希特霍芬男爵指揮的德國空軍第4航空隊對該市進行的猛烈轟炸中展開，該航空隊在1942年夏季及秋季時是全世界最強大的航空隊。數以千噸計的炸彈傾瀉入市內，該市很快就變成一片廢墟，然而城市中的一些工廠仍在繼續生產，而且同時厂内的工人也參加了戰鬥。克羅埃西亞第369加強步兵師是唯一的非德國單位被德意志國防軍選擇在攻擊行動中進入斯大林格勒城內進行戰鬥。
为了防御，斯大林倉皇地派出所有可用之部隊到伏爾加河東岸，其中一些士兵甚至來自遙遠的西伯利亞，所有正式的渡輪很快被德國空軍炸毀，因此這些部隊需要乘坐用拖船拖著的駁船以緩慢地過河。斯大林又禁止居民從該市撤走，因他相信居民的存在會鼓勵守軍進行更頑強的抵抗，包括婦女及兒童的居民都被组织派往修築戰壕及防禦工事。德軍在8月23日的一次大規模战略轰炸導致一場火災旋風造成數千人的死亡并將斯大林格勒市区内一大片城区燒成残垣断壁。在捷爾任斯基區，百分之九十的住宅被破壞。从8月23日至8月26日間，蘇軍的報告指出轟炸共導致955人死亡及1,181人受傷。而40,000人傷亡的數字则是被誇大了。8月25日後，蘇軍沒有記錄因轟炸而造成平民及軍事上的傷亡數字。
蘇聯空軍在斯大林格勒部署的部队被德國空軍驱散，在8月23日至8月31日間该部队于紧密作战区域就損失了201架战機。雖然在8月份得到100余架的補充，但其仍然只有192架可供使用的飛機，其中只有57架是戰鬥機。即使蘇軍在9月底对斯大林格勒持续投入空军增援，但是受到巨大的损失。德國空軍完全掌握了该空域的制空权。不过由於蘇聯在1941年就进行了工業搬遷，蘇聯的飛機生產數字在1942年下半年就已達到15,800架，這能確保保留足夠兵力及建立預備隊，並最終在后期阶段于数量上超越德國空軍。
最初斯大林格勒的防守重任落在第1077防空團（英语：）身上，該團主要由年輕女性自願者組成，她们沒有受過射擊地面目標的训练。雖然如此，在沒有其它蘇軍單位增援的情況下，該團仍堅守防御阵地并攻擊前来的德軍坦克，德軍第16裝甲師報告曾與第1077團的高射炮兵交戰直至37門高射炮尽数被擊毀或停止抵抗。在作战過程中，第16裝甲師亦發現因蘇軍兵力短缺——他們已經與一些女性士兵交戰。在斯大林格勒防御战開始時，蘇軍廣泛地依賴工人民兵即沒有直接參與軍工生產的武装工人進行戰鬥。有时候，坦克刚刚从生产线下来就由工廠的工人駕駛駛至前線。很多時候这样的战车因為沒有迷彩涂装而成為最直接的攻擊目標。
至8月底，南方B集團軍群最终到達位于斯大林格勒北边的伏爾加河，接着他们就向伏尔加河南面的另一边发动進攻。9月1日，蘇軍不得不冒著被德軍炮击和轟炸的危險橫渡伏爾加河，以對斯大林格勒城內的守軍進行增援及補給。
9月5日，蘇聯第62及第64集團軍對德國第14裝甲軍發起大規模反攻，而德國空軍则對蘇軍炮兵據點及防線實施大規模轟炸以幫助德軍地面部隊擊退苏军的這次攻击。由于空袭，蘇軍在发动反攻數小時後就被迫在中午撤退。參與此次進攻的120輛蘇軍坦克中，有30輛被德空军炸毀。
蘇軍的行動持续受到德國空軍的干擾，9月18日蘇聯第1親衛军及第24軍在科特鲁班對德國第8軍實施反攻期间，德國空軍第8航空軍派遣一波又一波的斯圖卡俯衝轟炸機以阻止蘇軍突破该战线。苏军的攻勢最終落败。事后，第8航空軍報告斯圖卡俯衝轟炸機在這天早上擊毀了106輛坦克中的41輛，同時Bf 109戰鬥機也擊落了77架蘇軍飛機。
為了守衛这座满目疮痍的城市，蘇聯第62和第64集團軍包括苏军第13近卫步枪师（英语：）在居民楼及工廠中建立了了依托據點的防线。双方在廢墟般的城市中進行着激烈而絕望的戰鬥。第13親衛步枪師由亞歷山大·羅迪姆釆夫陸軍少將指揮，他因該戰役的英勇表現，其兩次蘇聯英雄稱號之一就是来源于该战役。此时，在这个战场上，一名新到作戰的蘇軍士兵平均生存時間已少於24小時，而一名蘇軍軍官不多於3天。斯大林在1942年7月27日發出的第227號命令指出所有指揮官未經授權而擅自撤退將交付軍事法庭審判，“「不能後退一步」”和“斯大林格勒后已没有土地”成为了战地口號。正因蘇聯人的頑抗，德軍向斯大林格勒城內推進時亦付出了巨大的代價。
德軍的军事准则是基於协同作战（英语：）及坦克、步兵、工兵、火炮及攻擊機互相配合作戰。有鉴于此，为了进行有效反击，蘇軍指揮官采用前線部隊盡可能與德軍近身距離作戰的戰術；崔可夫稱這是緊貼德軍。這迫使德軍面對只能各自為戰或面對被友軍誤傷的危險；這樣令德軍減少空中及炮火支援。蘇軍明白在斯大林格勒，最好的防禦是把他們的防線放在許多可監察具有重要戰略意義的街道和廣場的建築物裏，這種戰略令蘇軍可盡量長時間在所有地段堅守，因此他們把多層樓宇、工廠、倉庫、街角住宅及辦公樓轉變為佈滿機槍、反坦克步槍、迫擊砲、地雷、鐵絲網、狙擊手及擁有5-10名衝鋒槍槍手和擲彈兵為一單位之小組擁有以準備進行逐屋戰鬥，激烈的戰鬥在每一個廢墟、街道、工廠、住宅、地下室及樓梯間進行，德軍稱這種看不見的城鎮戰為“老鼠戰爭“（"Rattenkrieg"），並對這種“已經攻佔了廚房，但仍然在爭奪臥室與客廳”的戰爭加以酸溜溜地譏諷。在這種絕望的混亂中，所有戰線均消失，習慣了進行機動作戰的德軍士兵被迫投入艱苦而快速的戰鬥，包括在炸毀的居民區、辦公區、地下室和公寓高樓大廈前進。在一些高的建築物中，屋頂被早些時候德國空軍的轟炸炸穿，因此可從屋頂的破洞中看到逐層及近距離戰鬥，蘇軍與德軍在同一樓層上，蘇軍在一邊，德軍在另一邊，雙方通過破洞互相射擊。
馬馬耶夫崗是該市最高的地點，這裏的戰鬥特別殘酷，而且該據點多次易手。到9月12日，蘇聯第62集團軍只剩下90輛坦克、700門迫擊砲及大約20,000名士兵。
苏军第13近卫步兵师（英语：）在9月13日被授與了收復馬馬耶夫崗及一號火車站的任務，因而遭到了巨大的損失，其中超過百分之三十的士兵在戰鬥的頭24小時內便陣亡了；這場戰役后，全師原本的10,000人只有320人存活下来。以上兩個目標均被蘇軍取得控制權，但這只是臨時性的，火車站在6個小時內14度易手。到了第二天晚上，第13親衛步兵師全部陣亡，但該師士兵亦殺死了差不多同樣數量的德軍士兵。戰鬥在巨大的糧倉附近持續了數週，雖然經過了激烈的戰鬥，但當德軍最後攻佔該處時，發現蘇軍只有40人死亡，蘇軍在撤退前焚燒了堆放在這裏的糧食。在城市的其它地區，一個排的蘇軍在雅科夫·巴甫洛夫（英语：）的指揮下把一座可俯瞰市中心一個廣場的大廈變成了堅不可摧的堡壘，後來這裏被稱為巴甫洛夫大樓，士兵在大樓周圍埋下地雷，在窗戶建立射擊位，還把地下室之間的牆壁打通以建立更好的通訊聯繫，士兵們發現，約10名平民躲藏在地下室裏，他們忐忑不安，并且在過去的兩個月間都沒有被救助。在該戰役後，崔可夫開玩笑地說為了試圖攻佔巴甫洛夫大樓而陣亡的德軍人數比攻佔巴黎時的陣亡人數還多。根據比弗的資料，在第二個月的每一波攻擊中，在德國多次並持續攻擊該建築物，蘇軍將之擊退及清理德軍成堆的屍體，以清除妨礙機關槍和反坦克砲手俯瞰廣場的視線，該大樓在德軍地圖被標注為“要塞”（「Festung」）。巴甫洛夫中士也因為其英勇行動而被授予蘇聯英雄稱號。
由於戰鬥沒有結束的跡象，德軍開始調動轉移重型火砲進入市區，包括巨大的800毫米鐵道炮，暱稱朵拉。但沒有嘗試派部隊跨越伏爾加河，從而使蘇聯能在東岸建立了大量的砲兵陣地，這些大砲連續轟擊德軍的陣地，同時蘇軍守軍則將轟擊所造成的廢墟變成防禦陣地。德軍坦克在高達8米高的廢墟中變得毫無用處，當它們能各前推進時，成為了在破爛建築物中的蘇軍反坦克炮的攻擊目標。
蘇聯狙擊手亦成功地利用廢墟對德軍造成巨大傷亡，其中最成功及最出名的是瓦西里·扎伊采夫，他在戰役中殺死了242名敵軍，二戰中總計消滅超過400人；他打死了一个极可能是虛構的德军王牌狙擊手，著名的歐文·柯尼希（海恩茲·托爾伐特）。柴契夫以及他超過30名狙擊手學校訓練出的學生共殺死了超過3,000名德軍士兵。柴契夫使用的是一支標準的莫辛-納甘步槍及PTRD-41 14.5毫米反坦克步槍；重型的14.5毫米子彈能穿透磚牆，可以在窗戶后射擊躲在牆後的德軍。柴契夫因為該戰役而被授與蘇聯英雄稱號。
無論是對於斯大林和希特勒，斯大林格勒都是威望的象徵，且擁有著超過其實際的戰略意義，蘇聯命令將紅軍的戰略預備隊從莫斯科地區調往伏爾加河下游，並從整個國家調集飛機前往的斯大林格勒地區。
雙方的軍事指揮官非常緊張：保盧斯的眼睛出現無法控制的抽筋，最終傷害了他的左臉；而崔可夫則出現濕疹，他的手被完全包紮。雙方部隊面臨極費氣力的近身距離作戰。
為粉碎蘇軍的抵抗，德國空軍第4航空隊的斯圖卡俯衝轟炸機在10月5日飛行700架次對在捷爾任斯基拖拉機廠內之蘇聯陣地進行轟炸，一些蘇軍步兵團被消滅；而整個蘇軍第339步兵團的士兵在翌日早上的空襲中被殺死。
在10月中旬，德國空軍加緊對在西岸餘的紅軍陣地進行轟炸。到這時，蘇聯空軍的抵抗已不再有效，德國空軍第4航空隊在10月14日飛行2,000架次及投下600噸炸彈，同時德軍步兵對在北部的三座工廠進行包圍。斯圖卡俯衝轟炸機第1、第2及第77中隊已令在伏爾加河東岸的蘇軍炮兵靜止，之後攻擊試圖對日益收縮的蘇軍包圍圈進行補給增援的船隻。第62集團軍已被切成兩半，及由於對其供應船隻的密集轟炸而陷於崩潰。
面對蘇軍在伏爾加河僅有1,000-碼（910-）長的陣地，超過1,208架次的斯圖卡俯衝轟炸機飛臨上空以消滅他們，雖然面對猛烈的空襲（史達林格勒所面對的轟炸比在色當及塞瓦斯托波爾的更猛烈），蘇聯第62集團軍仍然有47,000人及19輛坦克在西岸抗擊德國第6集團軍及第4裝甲集團軍。
德國空軍到11月初仍保持制空權及蘇聯空軍在日間完全不存在的，但在進行了20,000架次的飛行後，原本1,600架可用的起飛機已降至950架，其中原本480架轟炸機只剩下232架，雖然相對蘇聯空軍來說在數量上仍然佔有優勢及擁有在東線的德國空軍百分之八十的兵力，第4航空隊未能阻止日益增強的蘇聯空軍力量。到反攻階段時，蘇聯空軍的兵力更超過第4航空隊。
蘇聯的轟炸機部隊在過去18個月當中已付出沉重的損失，因而只能在晚間行動，蘇軍從7月17日至11月19日期間於晚間在史達林格勒及頓河河套地區飛行了11,317架次，這些空襲只做成了有限的破壞及僅有滋擾性的價值。
德國空軍的情況變得日益困難，11月8日，大量第4航空隊的單位被撤出以應付盟軍在北非的登陸，德國空軍的力量被分散至整個歐洲及未能保持在蘇德戰線的南部其它地區的力量。
經過三個月的殺戮和緩慢而昂貴的推進後，德軍最終到達河岸、攻佔百分之九十已破爛的市區及將殘存的蘇軍切成兩半。伏爾加河上的結冰阻止船隻及拖船對守軍進行補給。然而，戰鬥，特別是在馬馬耶夫崗的斜坡上和市內北部地區的工廠區，仍然激烈如昔。紅色十月鋼鐵廠、捷爾任斯基拖拉機廠及巴里卡迪兵工廠已因此變得舉世聞名，當蘇軍防守這些工廠時，工廠工人在接近戰場的地方甚至有時在戰場中修理坦克及武器；雖然沒有接受過戰鬥訓練，這些平民有時也會自告奮勇地駕駛坦克，以取代陣亡和受傷的士兵。