对于德军的进攻苏军已作准备，利用船只渡过以对全城补给粮食、牛和铁路机车车辆，这样令苏军在德军攻击开始前暂时解决城市内粮食短缺的问题。一些工厂仍在生产，特别是其中一间生产T-34坦克。
在德国国防军到达前，德国空军已轰炸伏尔加河，特别是切断进入该市之补给路线，令苏军船只不能使用，从7月25日至7月31日，32艘苏军船只被击沉，另外9艘被迫报废。
该战役是在由沃尔弗拉姆·冯·里希特霍芬男爵指挥的德国空军第4航空队对该市进行的猛烈轰炸中展开，该航空队在1942年夏季及秋季时是全世界最强大的航空队。
数以千吨计的炸弹倾泻入市内，该市很快就变成一片废墟，然而城市中的一些工厂仍在继续生产而且同时厂内的工人也参加了战斗。克罗地亚第369加强步兵师是唯一的非德国单位被德国国防军选择在攻击行动中进入斯大林格勒城内进行战斗。
为了防御，斯大林仓皇地派出所有可用之部队到伏尔加河东岸，其中一些来自遥远的西伯利亚，所有正式的渡轮很快即被德国空军炸毁，因此这些部队需要乘坐驳船缓慢地用拖船拖过河。
斯大林又禁止居民从该市撤走，因他相信居民的存在会鼓励守军进行更顽强的抵抗，包括妇女及儿童的居民都被组织派往修筑战壕及防御工事。德军在8月23日的一次大规模战略轰炸导致一场火灾旋风造成数千人的死亡并将斯大林格勒市区内一大片城区烧成残垣断壁的废墟。
在捷尔任斯基区，百分之九十的住宅被破坏。从8月23日至8月26日间，苏军的报告指出轰炸共导致955人死亡及1,181人受伤。而40,000人伤亡的数字则是被夸大了。8月25日后，苏军没有记录因轰炸而造成平民及军事上的伤亡数字。
一名德军士兵拿着苏联PPSh-41冲锋枪隐蔽在瓦砾中
苏联空军在斯大林格勒部署的部队被德国空军驱散，从8月23日至8月31日间该部队在紧密作战区域就损失了201架战机。虽然在8月份得到100余架的补充，但其仍然只有192架可供使用的飞机，其中只有57架是战斗机。
即使苏军在9月底对斯大林格勒持续投入空军增援，但是持续受到巨大的损失。德国空军完全掌握了该空域的制空权。不过由于苏联在1941年就进行了工业搬迁，苏联的飞机生产数字到了1942年下半年已达到15,800架，这能确保保留足够兵力及建立预备队，并最终在后期阶段在数量上超越德国空军。
最初斯大林格勒的防守重任落在第1077防空团身上，该团主要由年轻女性自愿者组成，她们没有受过射击地面目标的训练。虽然如此，没有其它苏军单位增援下，该团仍坚守防御阵地并攻击前来的德军坦克，德军第16装甲师报告曾与第1077团的高射炮兵交战直至37门高射炮尽数被击毁或停止抵抗。通过作战，第16装甲师亦发现因苏军兵力短缺，他们已经与一些女性士兵交战。
在斯大林格勒防御战开始时，苏军广泛地依赖工人民兵即没有直接参与军工生产的武装工人进行战斗。有时候，坦克刚刚从生产线下来就由工厂的工人驾驶驶至前线。很多时候这样的战车因为没有迷彩涂装而成为最直接的攻击目标。
至8月底，南方B集团军群最终到达位于斯大林格勒北面的伏尔加河，接着他们就向河南面的另一边发动进攻。9月1日，苏军不得不冒着被德军炮击和轰炸的危险横渡伏尔加河，以对斯大林格勒城内的守军进行增援及补给。
9月5日，苏联第24及第66集团军对德国第14装甲军发起大规模反攻，而德国空军则对苏军炮兵据点及防线实施大规模轰炸以帮助德军地面部队击退苏军的这次攻击。由于空袭，苏军在发动反攻数小时后就被迫在中午撤退。参与此次进攻的120辆苏军坦克中，有30辆被德空军炸毁。
苏军的行动持续受到德国空军的干扰，9月18日苏联第1近卫军团及第24集团军在科特鲁班对德国第8军实施反攻期间，德国空军第8航空军派遣一波又一波的斯图卡俯冲轰炸机以阻止苏军突破该战线。苏军的攻势最终落败。事后，第8航空军报告斯图卡俯冲轰炸机在这天早上击毁了106辆坦克中的41辆，同时Bf 109战斗机也击落了77架苏军飞机。
为了守卫这座满目疮痍的城市，苏联第62和第64集团军包括苏军第13近卫步枪师在居民楼及工厂中建立了了依托据点的防线。双方在废墟般的城市中进行着激烈而绝望的战斗。第13近卫步枪师由亚历山大·罗迪姆釆夫陆军少将指挥，他因该战役的英勇表现，其两次苏联英雄称号之一就是来源于该战役。
此时，在这个战场上，一名新到作战的苏军士兵平均生存时间已少于24小时而一名苏军军官不多于3天。斯大林在1942年7月27日发出的第227号命令指出所有指挥官未经授权而擅自撤退将交付军事法庭审判，““不能后退一步””和“斯大林格勒后已没有土地”成为了战地口号。正因苏联人的顽抗，德军向斯大林格勒城内推进时亦付出了巨大的代价。
德军的军事教条是基于协同作战及坦克、步兵、工兵、火炮及攻击机互相配合作战。有鉴于此，为了进行有效反击，苏军指挥官采用前线部队尽可能与德军近身距离作战的战术；崔可夫称这是紧抱德军。这迫使德军只能各自为战或面对被友军误伤的危险；这样令德军减少空中及炮火支援。苏军明白在斯大林格勒，最好的防御是把他们的防线放在许多可监察具有重要战略意义的街道和广场的建筑物裹，这种战略令苏军可尽量长时间在所有地段坚守，因此他们把多层楼宇、工厂、仓库、街角住宅及办公楼转变为布满机枪、反坦克步枪、迫击炮、地雷、铁丝网、狙击手及拥有5-10名冲锋枪枪手和掷弹兵为一单位之小组拥有以准备进行逐屋战斗，激烈的战斗在每一个废墟、街道、工厂、住宅、地下室及楼梯间进行，德军称这种看不见的城镇战为老鼠战争，“可笑地攻占了厨房，但仍然在争夺客厅”。
在这种绝望的混乱中，所有战线均消失，习惯了进行机动作战的德军士兵被迫投入艰苦而快速的战斗，包括通过炸毁的居民区、办公区、地下室和公寓高楼大厦前进。在一些高的建筑物中，屋顶被早些时候德国空军的轰炸炸穿，因此可从屋顶的破洞中看到逐层及近距离战斗，苏军与德军在同一楼层上，苏军在一边，德军在另一边，双方通过破洞互相射击。
马马耶夫岗是该市最高的地点，这里的战斗特别无情，而且该据点多次易手。到9月12日，苏联第62集团军只剩下90辆坦克、700门迫击炮及大约20,000名士兵。
苏联红军第13近卫步兵师在9月13日被授与收复马马耶夫岗及一号火车站的任务，因而遭到了巨大的损失，其士兵布超过百分之三十在战斗的头24小时内便阵亡了及在整个战役中全师原本10,000人只有320人存活下来。
以上两个目标均达到，但只是临时性的，火车站在6个小时内14度易手，在之后的晚上，第13近卫步枪师便消失了，但该师士兵亦杀死了差不多同样数量的德军士兵。战斗在巨大的粮仓附近持续了数周，虽然经过激烈的战斗，当德军最后攻占该处时，发现苏军只有40人死亡，苏军在撤退前焚烧了堆放在这里的粮食。
在城市的其它地区，一个排的苏军在雅科·巴甫洛夫的指挥下把一座可俯瞰市中心一个广场的大厦变成坚不可摧的堡垒，后来被称为巴甫洛夫大楼，这里凡有士兵被地雷区包围着，他们便在窗户建立机关枪及把地下室之间的墙壁打通以建立更好的通讯联系，士兵们发现，约10名平民躲藏在地下室里，因而把他们武装起来，并迫使他们参加战斗，他们没有被换防及在随后两个月都没有得到增援。
在该战役后，崔可夫开玩笑地说为了试图攻占巴甫洛夫大楼而阵亡的德军人数比攻占巴黎时的阵亡人数还多。根据比弗的资料，在第二个月的每一波攻击中，在德国多次并持续攻击该建筑物，苏军将之击退及清理德军成堆的尸体，以清除妨碍机关枪和反坦克炮手俯瞰广场的视线，该大楼在德军地图被称为要塞。巴甫洛夫中士因为其英勇行动而被授与苏联英雄称号。
由于战斗没有结束的迹象，德军开始调动转移重型火炮进入市区，包括巨大的800毫米铁道炮，昵称多拉。但没有尝试派部队跨越伏尔加河，从而使苏联能在东岸建立了大量的炮兵阵地，这些大炮连续轰击德军的阵地，同时苏军守军则将轰击所造成的废墟变成防御阵地。德军坦克在高达8米高的废墟中变得毫无用处，当它们能各前推进时，就成为在破烂建筑物中的苏军反坦克炮的攻击目标。
苏联狙击手亦成功地利用废墟对德军造成巨大伤亡，最成功及最出名的是瓦西里·柴契夫，他在战役中杀死了242名敌军及总计超过300人；他打死了一个极可能是虚构的德军王牌狙击手，著名的欧文·柯尼希（海恩兹·托尔伐特）。
柴契夫以及他超过30名狙击手学校训练出的学生共杀死了超过3,000名德军士兵。柴契夫使用的是一支标准的莫辛-纳甘步枪及PTRD-41 14.5毫米反坦克步枪，当不在窗户时用于射击躲在墙后的德军：重型的14.5毫米子弹能穿透砖墙。柴契夫因为该战役而被授与苏联英雄称号。
无论是对于斯大林和希特勒，斯大林格勒变成了威望的象征及超过其实际的战略意义，苏联命令将红军的战略预备队从莫斯科地区调往伏尔加河下游，并从整个国家调集飞机前往的斯大林格勒地区。
双方的军事指挥官是非常紧张：保卢斯的眼睛出现无法控制的抽筋，最终伤害了他的左脸；而崔可夫则出现湿疹，他的手被完全包扎。双方部队面临极费气力的近身距离作战。
为粉碎苏军的抵抗，德国空军第4航空队的斯图卡俯冲轰炸机在10月5日飞行700架次对在捷尔任斯基拖拉机厂内之苏联阵地进行轰炸，一些苏军步兵团被消灭；而整个苏军第339步兵团的士兵在翌日早上的空袭中被杀死。
在10月中旬，德国空军加紧对在西岸余的红军阵地进行轰炸。到这时，苏联空军的抵抗已不再有效，德国空军第4航空队在10月14日飞行2,000架次及投下600吨炸弹，同时德军步兵对在北部的三座工厂进行包围。斯图卡俯冲轰炸机第1、第2及第77中队已令在伏尔加河东岸的苏军炮兵静止，之后攻击试图对日益收缩的苏军包围圈进行补给增援的船只。第62集团军已被切成两半，及由于对其供应船只的密集轰炸而陷于崩溃。
面对苏军在伏尔加河仅有1,000-码（910-米）长的阵地，超过1,208架次的斯图卡俯冲轰炸机飞临上空以消灭他们，[4]虽然面对猛烈的空袭（斯大林格勒所面对的轰炸比在色当及塞瓦斯托波尔的更猛烈），苏联第62集团军仍然有47,000人及19辆坦克在西岸抗击德国第6集团军及第4装甲集团军。
德国空军到11月初仍保持制空权及苏联空军在日间完全不存在的，但在进行了20,000架次的飞行后，原本1,600架可用的起飞机已降至950架，其中原本480架轰炸机只剩下232架，虽然相对苏联空军来说在数量上仍然占有优势及拥有在东线的德国空军百分之八十的兵力，第4航空队未能阻止日益增强的苏联空军力量。到反攻阶段时，苏联空军的兵力更超过第4航空队。
苏联的轰炸机部队在过去18个月当中已付出沉重的损失，因而只能在晚间行动，苏军从7月17日至11月19日期间于晚间在斯大林格勒及顿河河套地区飞行了11,317架次，这些空袭只做成了有限的破坏及仅有滋扰性的价值。
德国空军的情况变得日益困难，11月8日，大量第4航空队的单位被撤出以应付盟军在北非的登陆，德国空军的力量被分散至整个欧洲及未能保持在苏德战线的南部其它地区的力量。
经过三个月的杀戮和缓慢而昂贵的推进后，德军最终到达河岸、攻占百分之九十已破烂的市区及将残存的苏军切成两半。伏尔加河上的结冰阻止船只及拖船对守军进行补给。然而，战斗，特别是在马马耶夫岗的斜坡上和市内北部地区的工厂区，仍然激烈如昔。
在红色十月钢铁厂、捷尔任斯基拖拉机厂及巴里卡迪兵工厂已变成举世闻名，当苏军防守这些工厂时，工厂工人在接近战场的地方甚至有时在战场中修理坦克及武器，这些平民有时也自告奋勇的驾驶坦克，以取代阵亡和受伤的士兵，虽然他们没有接受过战斗训练。
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