Видя такую опасность, Паулюс бросил на Орловку полки 16-й танковой, 60-й моторизованной и 389-й пехотной дивизий. Они атаковали Орловку с трех сторон.
2 октября 50 танков с двумя батальонами пехоты, наступая с Городищенских высот, смяли боевые порядки второго батальона бригады Андрюсенко и вышли к юго-восточной окраине Орловки, создавая угрозу окружения бригады. Двое суток шли жестокие схватки. Многократное превосходство в силах позволило противнику достичь цели. Остатки 115-й бригады Андрюсенко и 10-й дивизии НКВД отошли по Мокрой Мечетке к тракторному заводу и влились в 124-ю бригаду, которая с того дня стала называться группой. Возглавили ее командир полковник С. Ф. Горохов и комиссар В. А. Греков.
В ходе боев по ликвидации орловского выступа Паулюс потерял более пяти батальонов пехоты, 17 танков и пять минометных батарей, но он развязал себе руки для нанесения удара по заводскому району. Тем временем, разгадав замысел Паулюса, командование фронтом приняло решение усилить 62-ю армию частями из резервов Ставки.
В ночь на 1 октября в Сталинград прибыли полки 39-й гвардейской дивизии, до того принимавшие участие в боях на северном фланге фронта в составе 1-й гвардейской армии. В ротах полков этой дивизии насчитывалось по 40–50 человек, большинство из них были десантники — коммунисты и комсомольцы. Командовал дивизией опытный десантник генерал-майор Степан Савельевич Гурьев. Дивизия должна была всеми силами оборонять завод «Красный Октябрь».
2 октября в заводской район переправилась 308-я дивизия сибиряков под командованием полковника Леонида Николаевича Гуртьева. Ее части были поставлены в центр обороны заводского района. Они сражались на главном направлении удара войск Паулюса и, как потом выяснилось, за две недели октября отразили более ста атак противника, проявляя поистине сибирскую стойкость и упорство.
Вслед за 308-й дивизией в состав 62-й армии была включена 37-я гвардейская дивизия под командованием генерал-майора Виктора Григорьевича Желудева. В ночь на 5 октября ее полки, уплотнив весьма редкие боевые порядки 112-й стрелковой дивизии, вступили в бой с противником на подступах к СТЗ. Состав дивизии Желудева можно назвать коммунистическим — в ней было 4 тысячи членов партии и 6 тысяч комсомольцев.
С раннего утра 6 октября над заводским районом загудели сотни тяжелых бомбардировщиков вперемежку с пикировщиками. Фугасными и осколочными бомбами они разрушили корпуса заводов «Баррикады», «Красный Октябрь», СТЗ. Стоявшим у станков рабочим-ремонтникам была дана команда укрыться в бомбоубежищах, щелях и траншеях, прекратить всякое передвижение до наступления темноты.
К вечеру было зарегистрировано 2 тысячи вылетов тяжелых и средних бомбардировщиков. Каждый бомбардировщик вываливал от 3 до 15 бомб — «полусоток», «соток» и тяжелых фугасок. Одновременно сотни артиллерийских и минометных батарей накрывали тяжелыми снарядами, реактивными минами заводские площади и прилегающие к ним постройки.
Едва гитлеровские танки и пехота достигли сокращенных до броска гранаты нейтральных полос, как их встретили залпы орудий прямой наводки, ПТР и густые очереди пулеметного огня.
Завязались упорные бои, особенно в расположении оборонительных позиций 37-й гвардейской дивизии. Ближний бой — стихия десантников. Гвардейцы Желудева показали гитлеровцам свое умение действовать автоматами, гранатами и десантными ножами. Они не отступили от своих позиций ни на шаг.
На территории СТЗ были разрушены хранилища нефти и мазута. Нефть быстро воспламенилась, прилип огонь и к мазуту. Потоки горящей нефти и густой, черный смрад от мазута покатились по оврагам и балкам, местами затопили блиндажи, ходы сообщения. Особенно много нефти хлынуло вдоль оврага, разделяющего территории СТЗ и завода «Баррикады». Здесь размещались командный пункт и отделы штаба 62-й армии. Рядом ютились блиндажи армейского узла связи и пункты первой медицинской помощи. Горели земля, провода связи, блиндажи, бревенчатые подпорки перекрытий. И вновь воспламенилась Волга… Огонь заплясал на ее прибрежных прибоях, затем перекинулся до самой стремнины.