1942年7月17日，苏德双方在斯大林格勒接近地展开了激烈的交战，会战正式开始。

9月13日，德军开始攻城。保卢斯第6集团军担当主力，从城北实施猛烈突击。霍特第4装甲集团军则从城南推进，策应保卢斯在城北的主攻。苏军崔可夫中将指挥的第62集团军和舒米洛夫少将指挥的第64集团军受领了保卫斯大林格勒市区的任务。14日，德军从城北突入市区，与苏第62集团军展开了激烈的巷战，双方逐街逐楼逐屋反复争夺。斯大林格勒变成了一片瓦砾场，城中80%的居住区被摧毁。在满是瓦砾和废墟的城中，苏联第62集团军顽强抵抗，在城中的每条街道，每座楼房，每家工厂内都发生了激烈的枪战。攻入城中的德军死伤人数不断增加。尽管德军对伏尔加河东岸进行频繁的轰炸，但是苏军还是从那里得到了不断的补给和支持。刚刚赶赴城中的红军战士的平均存活时间不超过24个小时。德军的主要战术是各兵种联合作战，非常重视步兵、工程部队、炮兵和空军的地面轰炸的协调。为了对抗这种战术，苏军指挥官采取了贴身紧逼的策略，尽量将己方的前线与德军贴近。这样导致了德军的炮兵部队无法发挥远程攻击的优点。

9月15日，德军对名为马马耶夫的高地实施重点突击。该高地是斯大林格勒城中的制高点，从这里可以俯瞰和控制全城，崔可夫中将的第62集团军司令部即设在这里。经过一天最为残酷的战斗，德军占领了马马耶夫高地，但在16日，苏近卫第13师渡过伏尔加河进入斯大林格勒，突然向德军发起反冲击，又夺回了该高地。9月25日，德军占领了市中心，27日冲进了北部工厂区，并重新占领了马马耶夫高地，但在29日又被苏军夺回。以后的战斗更加激烈，两方军队不断地交替占领这片高地。苏军在一次反攻中，竟然在一天之内牺牲了1万名士兵。德第6集团军的一位叫汉斯·德尔的军官在《进军斯大林格勒》一书中写到：“敌我双方为争夺每一座房屋、车间、水塔、铁路路基，甚至为争夺一堵墙、一个地下室和每一堆瓦砾都展开了激烈的战斗。其激烈程度是前所未有的，甚至第一次世界大战也不能相比。我们早晨攻占了20公尺，可是一到晚上，俄国人又夺了回去。 ”对火车站反复争夺达13次之多。在一个大粮食仓库里，两军的士兵非常接近，甚至能够听到对方的呼吸声，经过数个星期的苦战，德军不得不从这个仓库撤走。在城中的另一个部分，由扬科夫·巴甫洛夫指挥的一个小分队(共计6人)占据了城中心的一座公寓楼，并顽强地进行抵抗。士兵们在大楼附近埋设了大量地雷，并在窗口安设了机枪，还将地下室的隔墙打通以便通讯。这座顽强的堡垒后来被苏联人骄傲地称为“巴甫洛夫大楼”(最后仅剩一堵墙还留到现在，上面雕刻着士兵抵抗的画面，右上角刻着58以表明他们6人坚守了58天)。

由于德军无法看到战斗结束的迹象，便开始调遣包括600毫米迫击炮等重装甲部队开入城内。然而在伏尔加格东岸的苏联火炮部队将德军置于其炮火笼罩之下。而城中的红军防御部队仍然利用废墟进行战斗。由于城内布满了高达数米的瓦砾堆和废弃建筑，德国的坦克部队毫无用武之地，而且即使坦克能够前进，也会遭遇在楼顶的苏军反坦克武器。此外，苏联的狙击手非常成功地利用废墟作为掩体，给德军造成了极大伤亡。最为成功的一名狙击手Zikan到11月20日为止已经击毙了224个敌人。而日后成为好莱坞电影《兵临城下》中的主人翁瓦西里·扎伊采夫(Vasilly Grigoryevich Zaitsev)。另外一名狙击手也创造毙敌149人的纪录。

对于斯大林和希特勒来说，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。　。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，并向西撤退。希特勒当然不肯听从。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(Kurt Zeitzler)上将为新一任陆军总参谋长。