Немецко-фашистское командование решило овладеть Сталинградом путём нанесения одновременных ударов 6-й армией и 4-й танковой армией по сходящимся направлениям. Превосходя советские войска в орудиях и миномётах в 2,2 раза, в танках в 4 раза и в самолётах в 2 раза, противник 15—17 августа возобновил наступление на всём фронте внешнего оборонительного обвода, на который отошли советские войска. После ожесточённых сражений с 17 по 20 августа врагу удалось форсировать Дон на участке Трёхостровская, Вертячий, Песковатка. 23 августа 14-й танковый корпус противника прорвался в районе Вертячего и, рассекая сталинградскую оборону на две части, вышел к Волге в районе Латошинка — Рынок. 62-я армия была отрезана от др. армий Сталинградского фронта и 29 августа передана в Юго-Восточный фронт. Немецко-фашистская авиация подвергла Сталинград варварским бомбардировкам. 24 августа часть сил 14-го немецкого танкового корпуса перешла в наступление в направлении тракторного завода, но безуспешно. Здесь в ожесточённых боях участвовали отряды народного ополчения сталинградских заводов, которые при поддержке Волжской военной флотилии остановили врага. Одновременно войска Сталинградского фронта, отошедшие на С.-З., атаковали противника с С. и вынудили его отвлечь значительные силы, предназначенные для захвата Сталинграда. 14-й танковый корпус оказался отрезанным от тылов и несколько дней получал снабжение по воздуху. На южных подступах к Сталинграду войска Юго-Восточного фронта упорно отбивали атаки 4-й немецкой танковой армии. Лишь 29 августа врагу удалось прорвать фронт и выйти в район Гавриловки (юго-западнее Красноармейска). Войска Сталинградского фронта (1-я гвардейская, 24-я и 66-я армии) в начале сентября дважды переходили в наступление, которое значительного успеха не имело, но отвлекло силы врага и несколько облегчило положение защитников города. Т. о., в ходе боев с 15—17 августа по 12 сентября советские войска и на этот раз сорвали план противника и остановили его перед городским оборонительным обводом.
13—15 сентября немецко-фашистские войска, не считаясь с потерями, продолжали наступление к Волге, нанося основной удар в направлении Мамаева кургана и вокзала. К исходу 14 сентября враг прорвался к вокзалу, а в районе Купоросное (южные окраины города) вышел к Волге, 62-я армия (командующий с 10 сентября 1942 генерал-лейтенант В. И. Чуйков) оказалась отрезанной от 64-й армии (командующий генерал-лейтенант М. С. Шумилов). С левобережья через Волгу была переброшена 13-я гвардейская стрелковая дивизия А. И. Родимцева (переданная из резерва Ставки). После переправы в Сталинград дивизия с ходу контратаковала противника и 16 сентября отбила Мамаев курган. До 27 сентября шла яростная борьба за вокзал, который 13 раз переходил из рук в руки. Большую помощь сталинградцам оказали удары авиации под командованием генерала А. Е. Голованова и С. И. Руденко, а также атаки и артобстрелы немецких войск с С. войсками Сталинградского фронта.
28 сентября Сталинградский фронт был переименован в Донской (командующий генерал-лейтенант К. К. Рокоссовский, член Военного совета корпусной комиссар А. С. Желтов, начальник штаба генерал М. С. Малинин), Юго-Восточный фронт — в Сталинградский (командующий генерал-полковник Еременко). 27 сентября начались бои за заводские посёлки Красный Октябрь и Баррикады, а с 4 октября развернулись бои непосредственно за эти заводы. В середине октября немецко-фашистские войска перешли в новое наступление, но вновь встретили упорную оборону советских войск. Несколько дней и ночей не прекращались бои на улицах города, в домах, на заводах, на берегу Волги. Особенно тяжёлые бои вели 95-я дивизия В. А. Горишного, 37-я гвардейская стрелковая дивизия В. Г. Жолудева, 112-я дивизия И. Е. Ермолкина, группа С. Ф. Горохова, 138-я дивизия И. И. Людникова, 84-я танковая бригада Д. Н. Белого. Для оказания помощи защитникам Сталинграда, которые вели тяжёлые бои, 19 октября войска Донского фронта перешли в наступление с С. Противник вынужден был снять со штурма города значительную часть авиации, артиллерии, танков и повернуть их против войск Донского фронта. Одновременно 64-я армия нанесла контрудар с юга в районе Купоросное — Зелёная Поляна во фланг наступающим вражеским частям. Наступление Донского фронта и контрудар 64-й армии облегчили положение 62-й армии и не позволили врагу овладеть городом. В ноябре враг несколько раз пытался наступать, но безрезультатно. К концу оборонительного периода С. б. 62-я армия удерживала район севернее тракторного завода, завод «Баррикады» и северо-восточные кварталы центра города, 64-я армия стойко обороняла подступы к его южной части. За период с июля по ноябрь противник потерял до 700 тыс. чел., свыше 1000 танков, свыше 2000 орудий и миномётов, свыше 1400 самолётов. Наступление немецко-фашистских войск на сталинградском направлении постепенно было остановлено. На Северном Кавказе в это время велись активные боевые действия в районах Нальчика и Туапсе. Т. о., немецко-фашистскому командованию не удалось достичь стратегических целей летне-осенней кампании 1942 и оно вынуждено было отдать приказ о переходе войск к обороне. Оперативное положение немецко-фашистских группировок, наступавших на Сталинград и Кавказ, осложнилось: резервов не было, на флангах фронта группы армий «Б» находились менее боеспособные румынские, итальянские и венгерские войска. Советские войска на Дону занимали выгодные позиции для контрнаступления Юго-Западного и Донского фронтов.