在北方和中央戰線相繼陷入了對峙，雙方同樣被拖得身心俱疲的時候，在這種情況下斯大林格勒的戰役已經超越了這個戰役的本身所代表的意義，甚至是這座城市的得失都已經是次要的，現在就看誰先撐不住，崩潰掉，在這樣的情況下，對於斯大林和希特勒來說，斯大林格勒戰役都是事關成敗的關鍵一戰，蘇軍指揮部將戰略重點從莫斯科轉移到了伏爾加河地區，並且調動了全國所有的空中力量支持斯大林格勒，在9月底和10月初，蘇軍向斯大林格勒城區調去了6個步兵師和1個坦克旅；德軍則調去了20萬補充部隊，包括90個炮兵營和40個受過攻城訓練的工兵營。
這個時候，蘇德雙方都稱得上孤注一擲，也正因爲這樣，雙方部隊的指揮官都承受着巨大的壓力，長時間的面部高度緊張讓德軍的指揮官保盧斯得了眼部肌肉痙攣的疾病，而蘇軍指揮官崔可夫也在不見日光的地下室司令部也忍受着溼疹的病痛，以至於不得不將自己雙手完全包紮起來。
此時，德軍在蘇聯南部的戰線是從庫爾斯克和沃羅涅日起，通過斯大林格勒到莫茲多克，長達1250英里以上，再加上從庫爾斯克到列寧格勒之間的800英里，德軍在蘇聯的戰線全長已在2000英里以上，而以德國的兵力和資源，根本就不足以維持如此長的戰線，特別危險的是，從斯大林格勒沿頓河上溯至沃羅涅日共長350英里，這麼長的戰線除了少量的警戒性的部隊之外，竟毫無掩護，德國自己騰不出兵力來填補這個缺口，只得在這一線部署了附庸國的3個集團軍：匈牙利第2集團軍在沃羅涅日南面；意大利第8集團軍在東南面更遠一些的位置；羅馬利亞第3集團軍在斯大林格勒正西、頓河灣曲部的右側，這使得戰線拉得非常狹長，甚至在有些地段，只有一個野戰排來防守整整1-2公里的防線。
這樣的局面也使得蘇軍的情況好了很多。雖然即使這樣蘇聯也沒有餘力發動大規模反擊，但是總算是大概守住了這條戰線基本上停止了後退，而蘇軍在伏爾加河南岸保留了幾個攻擊點，這對德軍構成了潛在的威脅，希特勒並非不知道這些裝備和戰鬥力都極差的附庸國部隊是不足以擔負這個任務的，但他卻深信只要能迅速攻克斯大林格勒，則即可抽出足夠的兵力，德國陸軍參謀總長弗朗茲·哈爾德表示了憂慮和異議，認爲斯大林格勒是不可陷入的，力主放棄這個作戰，並且方國昌的戰線和單薄的兵力分配太過於危險，建議希特勒整條戰線放棄一些不重要的地段並向西撤退，鞏固已有的佔領區，結果，希特勒便在9月底免去了哈爾德陸軍總參謀長的職務，任命原駐法國的德軍總司令庫爾特·蔡茨勒上將爲新一任陸軍總參謀長。
9月28日，蘇聯的戰略部署再次調整，蘇軍最高統帥部決定將斯大林格勒方面軍改稱頓河方面軍，司令員爲羅科索夫斯基中將；東南方面軍改稱斯大林格勒方面軍，司令員爲葉廖緬科上將；近衛第1集團軍擴建爲西南方面軍，司令員瓦杜丁中將，副最高統帥朱可夫大將和總參謀長華西列夫斯基上將奉命秘密擬製反攻計劃。
10月份一個月中，斯大林格勒一直進行着激烈的巷戰，德軍逐屋戰鬥，從地面和地下的廢墟中找路前進，所以陷入苦戰的德軍士兵也常常笑稱自己在進行一場“老鼠戰爭”，甚至開玩笑說“即使我們佔領了廚房，仍然需要在客廳進行戰鬥！”對斯大林來說，是決不能讓這座以自己名字命名的城市落入德軍之手的，因爲這將使對他尊嚴的一種踐踏，他親自下令葉廖緬科上將，要求在任何情況下都要堅守該城，每一座房屋，只要有蘇聯軍人，哪怕只有一個人，也要成爲敵人攻不破的堡壘，而對希特勒來說，斯大林格勒的精神價值已超過了其戰略價值，非要攻陷它不可，當新任陸軍總參謀長蔡茨勒將軍小心地向他指出第6集團軍北翼漫長的頓河戰線面臨着危險，建議將第6集團軍撤到頓河河曲，但是這個理智的建議讓一向自負又有輕微精神問題的希特勒難以接受，他嚴厲地回答說道：“德國士兵到了哪裡，就要守到哪裡！”
經過3個月血腥的戰鬥至11月初，德軍終於緩慢地推進到了伏爾加河岸，並且佔領了整座城市的80%地區，將留守的蘇聯軍隊分割成兩個狹長的口袋狀，但是有生力量遭到極大損失的德軍始終未能完全佔領斯大林格勒，此外，這個時候蘇聯方面的守城部隊也非常的不好過，伏爾加河開始結冰，導致蘇聯不能再通過船運送補給品給城中守軍，儘管如此，馬馬耶夫高地附近的戰鬥和北部城區的工廠地帶的戰鬥依然非常激烈，其中， 紅色十月工廠、 拖拉機廠和街壘工廠的戰鬥爲全世界所知曉，當蘇聯士兵與德軍進行槍戰的同時，工廠內的工人就在側旁修復損壞的坦克和其它武器，有的時候甚至就直接在戰場上修理武器，坦克由工廠的工人志願兵駕駛，這些坦克往往直接從兵工廠的生產線上開到了戰鬥前線，甚至來不及塗上油漆和安裝射擊瞄準鏡，不管怎麼說現在雙方就是在比拼雙方的意志，誰堅持到最後就能取得勝利，甚至是整場蘇德戰爭的勝利。
11月11日，德軍集中最後的機動部隊，以5個步兵師、2個裝甲師和2個工兵營在寬5公里的正面上發起強攻，戰鬥隊形高度密集，一天之內，蘇德兩軍爲爭奪每寸土地、每一座房屋，都進行了異常激烈的戰鬥，雙方傷亡慘重，德軍雖然在街壘工廠以南衝到達了伏爾加河岸，但部隊已疲憊不堪，其攻勢已成強弩之末，保盧斯被迫於次日停止了進攻，修整部隊，這個情況下蘇軍的損失同樣嚴重，第62集團軍的兩個師損失了75%的兵員，可以這樣說德軍的停止進攻喪失了這次寶貴的取得勝利的機會。
雖然蘇聯方面的守軍的在德軍暴風驟雨般的進攻情況下，處境艱難，但是一直沒有放棄發起反攻的打算，蘇軍最高統帥部自9月底開始準備大反攻，負責斯大林格勒地區總體戰略的朱可夫開始向斯大林格勒秘密大規模集結兵力，至11月中旬，在斯大林格勒地域城外的南北兩側的蘇軍計3個方面軍10個諸兵種合成集團軍，1個坦克集團軍，4個空軍集團軍和若干個獨立軍、坦克軍和旅，共143個師110.6萬人，計15500門火炮和迫擊炮，1463輛坦克和強擊火炮，1350架飛機，當面的德軍b集團軍羣共有80個師又3個旅，約100萬人，10290門火炮，675輛坦克，1216架飛機，在這個時候蘇聯第一次在局部戰場上對德軍在兵力和技術兵器方面形成了微弱的優勢，德軍的處境開始變得有些不妙。
朱可夫的策略是將德軍繼續牽制在城內，然後通過打擊德軍虛弱的外側來將德軍包圍在斯大林格勒市區，11月13日，斯大林批准了朱可夫和華西列夫斯基擬製反攻計劃，並親自給這個計劃取代號爲“天王星行動”，這與針對德軍中央軍羣的“火星行動”相呼應，該計劃規定：西南方面軍由瓦杜丁中將指揮，其任務是從頓河西岸的謝拉莫菲維奇和克利茨卡亞地域橋頭陣地實施主攻，突破羅馬利亞第3集團軍防禦，直插頓河東岸的卡拉奇；斯大林格勒方面軍由葉廖緬科上將指揮，其任務是從斯大林格勒南面向西北突擊，突破羅馬利亞第4集團軍防禦，與西南方面軍在卡拉奇會師，完成對德第6集團軍的合圍；頓河方面軍由羅科索夫斯基中將指揮，其任務是從斯大林格勒西北面向東南實施輔助性突擊，掩護西南方面軍的主攻，反攻日期定爲：西南方面軍和頓河方面軍爲11月19日，斯大林格勒方面軍爲11月20日。
這種情況下對面的德軍依然毫無察覺，在加上嚴寒的到來，使得德軍面對俄國的酷寒，戰鬥力銳減，在技術兵器上由於沒有專用的防凍機油，使得大部分的坦克等技術兵器趴窩，就手裡面的步槍也要在懷裡面暖一會兒才能正常使用，這樣的天氣也影響了一項是德國軍隊的利器的空軍出動，嚴寒使得飛機在保養方面比平時要困難許多，出勤率也降低了許多，這樣導致的結果就是德軍在前線的物資儲備也迅速降低到了一個危險的境況之下，