在北方和中央战线相继陷入了对峙，双方同样被拖得身心俱疲的时候，在这种情况下斯大林格勒的战役已经超越了这个战役的本身所代表的意义，甚至是这座城市的得失都已经是次要的，现在就看谁先撑不住，崩溃掉，在这样的情况下，对于斯大林和希特勒來说，斯大林格勒战役都是事关成败的关键一战，苏军指挥部将战略重点从莫斯科转移到了伏尔加河地区，并且调动了全国所有的空中力量支持斯大林格勒，在9月底和10月初，苏军向斯大林格勒城区调去了6个步兵师和1个坦克旅；德军则调去了20万补充部队，包括90个炮兵营和40个受过攻城训练的工兵营。
这个时候，苏德双方都称得上孤注一掷，也正因为这样，双方部队的指挥官都承受着巨大的压力，长时间的面部高度紧张让德军的指挥官保卢斯得了眼部肌肉痉挛的疾病，而苏军指挥官崔可夫也在不见日光的地下室司令部也忍受着湿疹的病痛，以至于不得不将自己双手完全包扎起來。
此时，德军在苏联南部的战线是从库尔斯克和沃罗涅日起，通过斯大林格勒到莫兹多克，长达1250英里以上，再加上从库尔斯克到列宁格勒之间的800英里，德军在苏联的战线全长已在2000英里以上，而以德国的兵力和资源，根本就不足以维持如此长的战线，特别危险的是，从斯大林格勒沿顿河上溯至沃罗涅日共长350英里，这么长的战线除了少量的警戒性的部队之外，竟毫无掩护，德国自己腾不出兵力來填补这个缺口，只得在这一线部署了附庸国的3个集团军：匈牙利第2集团军在沃罗涅日南面；意大利第8集团军在东南面更远一些的位置；罗马利亚第3集团军在斯大林格勒正西、顿河湾曲部的右侧，这使得战线拉得非常狭长，甚至在有些地段，只有一个野战排來防守整整1-2公里的防线。
这样的局面也使得苏军的情况好了很多。虽然即使这样苏联也沒有余力发动大规模反击，但是总算是大概守住了这条战线基本上停止了后退，而苏军在伏尔加河南岸保留了几个攻击点，这对德军构成了潜在的威胁，希特勒并非不知道这些装备和战斗力都极差的附庸国部队是不足以担负这个任务的，但他却深信只要能迅速攻克斯大林格勒，则即可抽出足够的兵力，德国陆军参谋总长弗朗兹·哈尔德表示了忧虑和异议，认为斯大林格勒是不可陷入的，力主放弃这个作战，并且方国昌的战线和单薄的兵力分配太过于危险，建议希特勒整条战线放弃一些不重要的地段并向西撤退，巩固已有的占领区，结果，希特勒便在9月底免去了哈尔德陆军总参谋长的职务，任命原驻法国的德军总司令库尔特·蔡茨勒上将为新一任陆军总参谋长。
9月28日，苏联的战略部署再次调整，苏军最高统帅部决定将斯大林格勒方面军改称顿河方面军，司令员为罗科索夫斯基中将；东南方面军改称斯大林格勒方面军，司令员为叶廖缅科上将；近卫第1集团军扩建为西南方面军，司令员瓦杜丁中将，副最高统帅朱可夫大将和总参谋长华西列夫斯基上将奉命秘密拟制反攻计划。
10月份一个月中，斯大林格勒一直进行着激烈的巷战，德军逐屋战斗，从地面和地下的废墟中找路前进，所以陷入苦战的德军士兵也常常笑称自己在进行一场“老鼠战争”，甚至开玩笑说“即使我们占领了厨房，仍然需要在客厅进行战斗！”对斯大林來说，是决不能让这座以自己名字命名的城市落入德军之手的，因为这将使对他尊严的一种践踏，他亲自下令叶廖缅科上将，要求在任何情况下都要坚守该城，每一座房屋，只要有苏联军人，哪怕只有一个人，也要成为敌人攻不破的堡垒，而对希特勒來说，斯大林格勒的精神价值已超过了其战略价值，非要攻陷它不可，当新任陆军总参谋长蔡茨勒将军小心地向他指出第6集团军北翼漫长的顿河战线面临着危险，建议将第6集团军撤到顿河河曲，但是这个理智的建议让一向自负又有轻微精神问題的希特勒难以接受，他严厉地回答说道：“德国士兵到了哪里，就要守到哪里！”
经过3个月血腥的战斗至11月初，德军终于缓慢地推进到了伏尔加河岸，并且占领了整座城市的80%地区，将留守的苏联军队分割成两个狭长的口袋状，但是有生力量遭到极大损失的德军始终未能完全占领斯大林格勒，此外，这个时候苏联方面的守城部队也非常的不好过，伏尔加河开始结冰，导致苏联不能再通过船运送补给品给城中守军，尽管如此，马马耶夫高地附近的战斗和北部城区的工厂地带的战斗依然非常激烈，其中， 红色十月工厂、 拖拉机厂和街垒工厂的战斗为全世界所知晓，当苏联士兵与德军进行枪战的同时，工厂内的工人就在侧旁修复损坏的坦克和其它武器，有的时候甚至就直接在战场上修理武器，坦克由工厂的工人志愿兵驾驶，这些坦克往往直接从兵工厂的生产线上开到了战斗前线，甚至來不及涂上油漆和安装射击瞄准镜，不管怎么说现在双方就是在比拼双方的意志，谁坚持到最后就能取得胜利，甚至是整场苏德战争的胜利。
11月11日，德军集中最后的机动部队，以5个步兵师、2个装甲师和2个工兵营在宽5公里的正面上发起强攻，战斗队形高度密集，一天之内，苏德两军为争夺每寸土地、每一座房屋，都进行了异常激烈的战斗，双方伤亡惨重，德军虽然在街垒工厂以南冲到达了伏尔加河岸，但部队已疲惫不堪，其攻势已成强弩之末，保卢斯被迫于次日停止了进攻，修整部队，这个情况下苏军的损失同样严重，第62集团军的两个师损失了75%的兵员，可以这样说德军的停止进攻丧失了这次宝贵的取得胜利的机会。
虽然苏联方面的守军的在德军暴风骤雨般的进攻情况下，处境艰难，但是一直沒有放弃发起反攻的打算，苏军最高统帅部自9月底开始准备大反攻，负责斯大林格勒地区总体战略的朱可夫开始向斯大林格勒秘密大规模集结兵力，至11月中旬，在斯大林格勒地域城外的南北两侧的苏军计3个方面军10个诸兵种合成集团军，1个坦克集团军，4个空军集团军和若干个独立军、坦克军和旅，共143个师110.6万人，计15500门火炮和迫击炮，1463辆坦克和强击火炮，1350架飞机，当面的德军b集团军群共有80个师又3个旅，约100万人，10290门火炮，675辆坦克，1216架飞机，在这个时候苏联第一次在局部战场上对德军在兵力和技术兵器方面形成了微弱的优势，德军的处境开始变得有些不妙。
朱可夫的策略是将德军继续牵制在城内，然后通过打击德军虚弱的外侧來将德军包围在斯大林格勒市区，11月13日，斯大林批准了朱可夫和华西列夫斯基拟制反攻计划，并亲自给这个计划取代号为“天王星行动”，这与针对德军中央军群的“火星行动”相呼应，该计划规定：西南方面军由瓦杜丁中将指挥，其任务是从顿河西岸的谢拉莫菲维奇和克利茨卡亚地域桥头阵地实施主攻，突破罗马利亚第3集团军防御，直插顿河东岸的卡拉奇；斯大林格勒方面军由叶廖缅科上将指挥，其任务是从斯大林格勒南面向西北突击，突破罗马利亚第4集团军防御，与西南方面军在卡拉奇会师，完成对德第6集团军的合围；顿河方面军由罗科索夫斯基中将指挥，其任务是从斯大林格勒西北面向东南实施辅助性突击，掩护西南方面军的主攻，反攻日期定为：西南方面军和顿河方面军为11月19日，斯大林格勒方面军为11月20日。
这种情况下对面的德军依然毫无察觉，在加上严寒的到來，使得德军面对俄国的酷寒，战斗力锐减，在技术兵器上由于沒有专用的防冻机油，使得大部分的坦克等技术兵器趴窝，就手里面的步枪也要在怀里面暖一会儿才能正常使用，这样的天气也影响了一项是德国军队的利器的空军出动，严寒使得飞机在保养方面比平时要困难许多，出勤率也降低了许多，这样导致的结果就是德军在前线的物资储备也迅速降低到了一个危险的境况之下，