К вечеру 14 сентября наступавшие на центральную часть города немецкие войска прорвали оборону и продвинулись к Мамаеву кургану и Центральному вокзалу. Чтобы ликвидировать прорыв, Чуйков перебросил из своего небольшого резерва — тяжелой танковой бригады (19 танков), находившейся в южной части Сталинграда, которая также подверглась сильным атакам противника, — один танковый батальон. В бой были втянуты также группа штабных работников и рота охраны командного пункта армии. Просочившиеся немецкие автоматчики находились в нескольких сотнях метров от «царицынского подземелья», установленные немцами в домах крупнокалиберные пулеметы обстреливали Волгу и центральную переправу. Создалась угроза, что до подхода обещанного Чуйкову подкрепления — сильной 13-й гвардейской дивизии генерала А. И. Родимцева (который приобрел опыт городских сражений еще на улицах Мадрида в 1936 году) — противник рассечет 62-ю армию пополам и выйдет к центральной переправе.
В этот период боев немецкая тактика, хотя и шаблонная и приводившая к крупным потерям среди наступавших, позволяла им прогрызать тонкую линию растянутой до предела обороны 62-й армии. Немцы использовали «пакеты» из трех-четырех танков, поддерживаемых ротой пехоты. Поскольку оборонявшиеся в домах русские не открывали огонь по одним танкам, пропуская их в глубь оборонительных порядков, где они оказывались в зоне огня противотанковых орудий и укрытых «тридцатьчетверок», немцам, как правило, приходилось посылать вперед пехотинцев, чтобы выявить огневые точки русских. Как только немцы засекали их, танки, прикрывая друг друга, в упор всаживали снаряд за снарядом в здание, пока оно не превращалось в развалины. Там, где дома были высокими и прочными, операции по их захвату принимали и затяжной, и сложный характер. Танки неохотно углублялись в узкие улицы, где они становились легкой добычей бронебойщиков или брошенной сверху на тонкую броню гранаты. Поэтому в каждую такую группу приходилось включать несколько огнеметчиков, чтобы струей огня сжечь дом и выкурить из него обороняющихся.
В первые дни сентябрьского наступления немцы имели почти трехкратное превосходство в людях и артиллерии и шестикратное — в танках, а немецкая авиация господствовала в воздухе. Период с 13 по 23 сентября, когда 6-я армия была относительно свежей, а у русских оборонялись остатки частей, измотанных в предыдущих боях, был самым опасным для Сталинграда.
В ночь на 15 сентября положение обороняющихся настолько ухудшилось, что переправившуюся дивизию Родимцева пришлось бросать в бой побатальонно, как только бойцы сходили с паромов и лодок. В результате свежие части, не успев осмотреться и закрепиться, вступали в жестокие бои, и многие из них на рассвете оказывались среди немецких частей, в развалинах домов. Но даже в этих тяжелых условиях мужество русских солдат, сражавшихся до последнего патрона, сыграло свою роль в срыве немецкого наступления.
К 24 сентября обе стороны истощили свои силы, и бои в центре города стали затухать. Немцам удалось продвинуться по руслу реки Царицы к Волге и установить орудия в нескольких метрах от центральной пристани. Они также овладели районом жилых домов позади Центрального вокзала, между рекой Царицей и Крутым оврагом. Чуйков был вынужден перенести свой командный пункт на берег Волги восточнее Мамаева кургана. С потерей центральной пристани защитники Сталинграда зависели теперь от переправ, действовавших в северной части города в районе заводов.
На этой стадии битвы немцы были близки к тому, чтобы овладеть всей южной частью города вплоть до Крутого оврага, так как к югу от реки Царицы оборонялись лишь части двух бригад. Но продвижение дивизий Гота сдерживали отдельные изолированные очаги сопротивления, с которыми немцам не удалось справиться во время их первого танкового удара 13 и 14 сентября. Один из главных очагов сопротивления находился в районе элеваторов, и о борьбе за один такой элеватор рассказывается в сохранившихся воспоминаниях непосредственных участников боя. Вот выдержки из дневника немецкого солдата: