Представитель Ставки ВГК A. M. Василевский вспоминал: «Утро незабываемого трагического 23 августа застало меня в войсках 62-й армии. В этот день фашистским войскам удалось своими танковыми частями выйти к Волге и отрезать 62-ю армию от основных сил Сталинградского фронта. Одновременно с прорывом нашей обороны противник предпринял 23 и 24 августа ожесточенную массовую бомбардировку города, для которой были привлечены почти все силы его 4-го воздушного флота. Город превратился в развалины. Телефонная и телеграфная связь нарушилась, и мне в течение 23 августа пришлось дважды вести короткие переговоры с Верховным Главнокомандующим открыто по радио».

Средствами ПВО только 23 августа было сбито 120 самолетов противника, из них истребительной авиацией — 90, зенитной артиллерией — 30 самолетов. При этом зенитные артиллерийские полки перед городом отражали неоднократные атаки немецких танков и пехоты, нанося им урон. Сражение у стен города принимало исключительно напряженный и ожесточенный характер.

В эти дни городской комитет обороны, возглавляемый секретарем Сталинградского обкома партии А. С. Чуяновым, обратился к населению города с воззванием:

«Дорогие товарищи! Родные сталинградцы! Снова, как и 24 года назад, наш город переживает тяжелые дни. Кровавые гитлеровцы рвутся в солнечный Сталинград к великой русской реке Волге. Сталинградцы! Не отдадим родного города на поругание немцам. Встанем все как один на защиту любимого города, родного дома, родной семьи. Покроем все улицы непроходимыми баррикадами. Сделаем каждый дом, каждый квартал, каждую улицу непреступной крепостью. Выходите все на строительство баррикад. Баррикадируйте каждую улицу. В грозный 1918 год наши отцы отстояли Царицын. Отстоим и мы в 1942 году Краснознаменный Сталинград!

Все на строительство баррикад! Все, кто способен носить оружие, на защиту родного города, родного дома!»

Население города являлось важнейшим источником пополнения рядов защитников Сталинграда. Тысячи жителей вливались в части 62-й и 64-й армий, на которые была возложена оборона города.

В первых числах сентября противник прорвал внутренний обвод города и захватил отдельные районы в северной его части. Он продолжал упорно рваться к центру города, чтобы полностью перерезать реку Волгу — эту важнейшую коммуникацию. Попытки врага прорваться к Волге на широком фронте обходились ему большими потерями. Так, только за 10 дней сентября у стен Сталинграда немцы потеряли 24 тысячи человек убитыми, было уничтожено около 500 танков и 185 орудий. С 18 августа по 12 сентября на ближних подступах к городу было сбито более 600 самолетов противника. 12 сентября командующий группой армий «Б» и командующий 6-й армией были вызваны в ставку фюрера под Винницей. Гитлер был крайне недоволен тем, что до сих пор Сталинград не взят немецкими войсками и приказал захватить город в кратчайшие сроки.

Силы противника все время нарастали. Всего на Сталинградском направлении в первой половине сентября действовало уже около 50 дивизий. Его авиация имела господство в воздухе, совершая в день от 1500 до 2000 самолето-вылетов. Методически разрушая город, враг пытался подорвать морально-психологическое состояние войск и населения.

Второй этап оборонительной операции советских войск по удержанию Сталинграда начался 13 сентября и продолжался 75 дней и ночей. На этом этапе операции противник четыре раза переходил к штурму города, пытаясь захватить его с ходу.

Первый штурм города начался 13 сентября мощной артиллерийской подготовкой при поддержке авиации. Враг превосходил в силах и средствах соединения 62-й и 64-й армий примерно в 1,5–2 раза, а по танкам — в 6 раз. Основные его усилия были направлены на захват центра города с выходом к Волге на участке напротив центральной переправы.

Бои в городе носили исключительно ожесточенный и напряженный характер и продолжались практически круглосуточно на улицах и площадях Сталинграда. Стойкости и упорству советских войск поражались даже генералы вермахта. Участник битвы под Сталинградом, немецкий генерал Г. Дерр позднее писал: «За каждый дом, цех, водонапорную башню, насыпь, стену, подвал и, наконец, за каждую кучу мусора велась ожесточенная борьба, которая не имела себе равных даже в период Первой мировой войны с ее гигантским расходом боеприпасов. Расстояние между нашими войсками и противником было предельно малым. Несмотря на массированные действия авиации и артиллерии, выйти из района ближнего боя было невозможно. Русские превосходили немцев в отношении местности и маскировки и были опытнее в баррикадных боях за отдельными домами: они заняли прочную оборону».

День 14 сентября вошел в героическую эпопею Сталинградской битвы как один из кризисных дней обороны. Особенно упорные бои развернулись в районе элеватора и вокзала Сталинград-2. Ценой больших потерь 15 сентября противник овладел господствующей в центральной части города высотой 102,0 — Мамаевым курганом. Однако уже на следующий день части 13-й гвардейской и 112-й стрелковых дивизий в результате ожесточенных боев отбили у врага высоту.

С 13 по 26 сентября противник сумел потеснить соединения и части 62-й армии и ворваться в центр города, а на стыке двух армий — 62-й и 64-й — выйти к Волге. Но овладеть всем берегом Волги в районе Сталинграда врагу не удалось. Особенно упорные бои развернулись за овладение вокзалом, который 13 раз переходил из рук в руки.

Ставка ВГК постоянно подкрепляла оборонявшиеся войска резервами из глубины страны. Так, только с 23 июля по 1 октября на Сталинградское направление прибыло 55 стрелковых дивизий, 9 стрелковых бригад, 7 танковых корпусов и 30 танковых бригад.

В связи с возросшим составом фронтов и большой протяженностью их полос Ставка ВГК 28 сентября упразднила единое командование Юго-Восточного и Сталинградского фронтов и переименовала Сталинградский фронт в Донской (командующий — генерал-лейтенант К. К. Рокоссовский), а Юго-Восточный — в Сталинградский (командующий — генерал-полковник А. И. Еременко).

Второй штурм Сталинграда враг предпринял с 28 сентября по 8 октября. Немецкое верховное командование категорически требовало от Паулюса взять Сталинград любой ценой и в самые ближайшие дни. Гитлер, выступая в рейхстаге 30 сентября 1942 г., заявил: «Мы штурмуем Сталинград и возьмем его — на это вы можете положиться… Если мы что-нибудь заняли, оттуда нас не сдвинуть».

Сражение под стенами Сталинграда развертывалось с неослабевающей силой. С 27 сентября по 4 октября происходили упорные бои на северных окраинах города за рабочие поселки Красный Октябрь и Баррикады. Одновременно враг вел наступление в центре города в районе Мамаева кургана (ему удалось закрепиться на западном склоне) и на правом фланге 62-й армии в районе Орловки. Темпы продвижения немецких частей в течение дня составляли от 100 до 300 м.

В первые дни октября 1942 г. соединения и части 62-й армии занимали оборону вдоль правого берега Волги в полосе шириной 25 км. При этом удаление переднего края от воды составляло на отдельных участках не более 200 м. Хотя в руках противника уже находилась территория пяти районов города из семи, ему так и не удалось овладеть центральной набережной с переправами, через которые в город поступали войска, вооружение, продовольствие, топливо и отправлялись раненые.