Одновременно перешли в наступление войска, нажим которых на VIII и XIV корпуса обеспечивал успешное ведение обороны в Сталинграде. Во исполнение указаний Верховного Главнокомандующего «немедленно ударить по противнику и прийти на помощь сталинградцам» войска левого крыла Сталинградского фронта силами 24-й, 1-й гвардейской и 66-й армий в течение сентября провели две наступательные операции. Их задачей был разгром прорвавшейся к Волге группировки противника и соединение с 62-й армией. В октябре за ними последовала еще одна наступательная операция.
Для атаки Сталинграда с севера 6-я немецкая армия в начале сентября практически могла выделить только LI армейский корпус. Несмотря на все сложности с переправой войск на правый берег Волги, в 62-ю армию поступали резервы. В течение двух ночей 15 и 16 сентября в Сталинград переправилась 13-я гвардейская стрелковая дивизия А.И. Родимцева. Она восстановила силы после ударов «Блау» в июне и июле и стала сильным аргументом в борьбе за Сталинград. Совместно с 137-й танковой бригадой (12 танков Т-60, более тяжелые машины было почти невозможно переправить через Волгу) дивизия А.И. Родицева смогла контратакой вернуть позиции в районе Мамаева кургана и обеспечила прочную оборону одного из двух сталинградских вокзалов.
На южную окраину города и на Бекетовку (южный пригород Сталинграда) наступал XXXXVIII танковый корпус. На 18 сентября 1942 г. в 24-й танковой дивизии корпуса Гейма насчитывалось всего 22 боеготовых танка. Бои в Сталинграде приняли затяжной характер. Уже 20 сентября Ф. Гальдер, оценивая военные действия под Сталинградом, вынужден был признать, что «все больше и больше ощущается постепенное истощение наступающих войск».
18 сентября также состоялась вторая наступательная операция войск Сталинградского фронта. Основные силы фронта теперь концентрировались на его левом крыле. На правом крыле 63, 21-я и 4-я танковая армии обороняли фронт в 480 км. На левом крыле на фронте прорыва шириной в 24 км концентрировались две армии — 1-я гвардейская и 24-я. Первая была построена на фронте 18 км в три эшелона: первый эшелон — пять стрелковых дивизий, танковый корпус, три танковые бригады и все средства усиления; второй эшелон — три стрелковые дивизии, один танковый корпус; третий эшелон — одна стрелковая дивизия и один танковый корпус (в резерве командующего армией). Вторая была построена на фронте 6 км в два эшелона: первый эшелон — две стрелковые дивизии, две танковые бригады, все средства усиления; второй эшелон — две стрелковые дивизии. 66-я армия тремя дивизиями прикрывала фланг 24-й армии.
Обстановка в полосе наступления 1-й гвардейской и 24-й армий напоминала Западный фронт времен Первой мировой войны, когда на сравнительно узком пространстве были собраны крупные массы войск. Несмотря на большую протяженность фронта группы армий «Б» и советских войск на сталинградском направлении 35-километровый отрезок между Доном и Волгой стал филиалом плотного позиционного фронта. Здесь Красная Армия прошла по тем же граблям, по которым ходила французская армия в 1915–1916 гг. Пехота ожидала от артиллерии и танков полного подавления системы огня, своего оружия не использовала и не была достаточно обучена. Поэтому начавшееся наступление к 26 сентября привело лишь к незначительному тактическому успеху. Основным эффектом было удержание фронтом на север (с учетом XVII корпуса против 21-й армии) более чем половины войск армии Паулюса.
Тем временем на фронт под Сталинградом прибыл еще один прославленный советский военачальник — К.К. Рокоссовский. 30 сентября 1942 г. он возглавил Донской фронт, образованный путем переименования Сталинградского фронта. Теперь К.К. Рокоссовский должен был организовать наступление на северный фланг 6-й армии 1-й гвардейской, 24-й и 66-й армий.
