К Сталинграду немцы вышли 23 августа и завязали бои в районе Тракторного завода, где находился на пополнении 23-й танковый корпус, имевший 195 танков Т-34. Туда были спешно переброшены 10-я стрелковая дивизия НКВД, батальоны рабочего ополчения, 21-й и 28-й учебные танковые батальоны, имевшие 62 танка Т-34. У прорвавшейся к Тракторному заводу немецкой 16-й танковой дивизии – 56 танков. Таким образом, советские войска обладали четырехкратным превосходством в танках. Утром 24 августа оно еще больше возросло, когда в район Тракторного завода были переброшены 99-я танковая бригада, 738-й истребительно-противотанковый артполк и батальон морской пехоты Волжской флотилии. Две другие дивизии германского 14 моторизованного корпуса пришлось использовать для прикрытия с флангов. Поэтому командир 14-го корпуса генерал пехоты Густав фон Витерсгейм малодушно заявил, что не сможет удержать плацдарм под ударами превосходящих советских войск, и предложил отвести войска от Волги. В результате он был заменен генерал-лейтенантом Хансом Хубе, командовавшим 16-й танковой дивизией.
29 августа 14-я танковая и 29-я мотопехотная дивизии немцев прорвали фронт южнее Сталинграда и начали продвигаться к городу с юга. С 1 по 7 сентября по этой группировке проводились плохо организованные контрудары, которые принесли лишь большие потери советским войскам. В 339-й стрелковой дивизии осталось всего 195 штыков, в 112-й – 300 штыков, а в 87-й – 180 штыков. 27-я и 99-я танковые бригады потеряли все танки, а в 189-й бригаде осталось лишь семь танков.
С 12 сентября немецкие войска перешли в наступление на Сталинград одновременно с севера (силами 389-й и 295-й пехотных дивизий) и с юга (силами 24-й и 14-й танковых, 29-й мотопехотной дивизий и 20-й румынской пехотной дивизий). К 14 сентября южная часть Сталинграда была захвачена. Бои развернулись в центре города. Части 14-й танковой и 29-й мотопехотной дивизий овладели станцией Садовая и вышли к западной окраине пригорода Минино.
14 сентября части 295-й пехотной дивизии прорвались в район вокзала Сталинград-1. К исходу дня немецкие части вышли к окраинам поселков Баррикады и Красный Октябрь. 15 сентября в город начали переправляться части 13-й гвардейской стрелковой дивизии генерал-майора А. И. Родимцева, с ходу вступавшие в бой. Два ее батальона дрались за Мамаев Курган.
15 сентября в район Сталинграда также прибыло 20 тыс. человек маршевого пополнения. Кроме того, с 13 по 26 сентября из резерва Ставки в состав Юго-Восточного и Сталинградского фронтов было переброшено 10 стрелковых дивизий, два танковых корпуса и восемь танковых бригад.
16 сентября части германских 71-й пехотной и 14-й танковой дивизий вышли к Волге в районе Купоросное, на стыке 62й и 64-й армий. На следующий день 62-й армии были переданы 92-я стрелковая и 137-я танковая бригады с указанием использовать танковую бригаду на правом фланге 13-й гвардейской стрелковой дивизии, а стрелковую – на левом фланге. 19 сентября 62-я и 64-я армии нанесли контрудары, закончившиеся безрезультатно.
25 сентября в 6-ю армию из 4-й танковой армии были переданы 24-я танковая и 64-я пехотная дивизии. Теперь все войска, штурмовавшие город, подчинялись только штабу 6-й армии. Паулюс произвел перегруппировку. 389-я пехотная дивизия направилась в район Орловки, 295-я пехотная и 100-я легкопехотная дивизии заняли позиции в центре города. 371-я немецкая пехотная дивизия и 20-я румынская пехотная дивизия поменялись местами.
27 сентября немецкое наступление в Сталинграде возобновилось. 71-я пехотная дивизия наступала на поселок Красный Октябрь, а 100-я легкопехотная – на Мамаев Курган. 62-я армия нанесла контрудар силами 23-го танкового корпуса и 95-й, 284-й стрелковых дивизий, что, однако, не помешало 100-й легкопехотной дивизии взять Мамаев Курган, отбросив 95-ю стрелковую дивизию.
Части 295-й и 71-й пехотных дивизий наступали севернее и южнее устья реки Царица. 42-я и 92-я стрелковые бригады и 272-й полк 10-й дивизии НКВД понесли большие потери и стали беспорядочно отходить. Отдельные группы красноармейцев начали переправляться на левый берег Волги. Немцы захватили участок волжского берега южнее реки Царица протяженностью около 10 км.
Для усиления Сталинградского фронта из резерва Ставки началась срочная переброска 159-го УРа (12 пулеметно-артиллерийских батальонов), 7-го стрелкового корпуса (93-я, 96-я и 97-я стрелковые бригады), 84-й и 90-й бригад. В район 70–80 км юго– западнее Камышина были сосредоточены 87-я и 315-я стрелковые дивизии, призванные восполнить понесенные в уличных боях тяжелые потери.
