После этого Гитлер снова повернул часть сил Гота на соединение с 6 Армией, заявив 30 июля Гальдеру, что «судьба Кавказа решится в Сталинграде». Когда немецкие войска подошли к городе, Люфтваффе провели исключительно сильный налет, превратив в пепел множество деревянных строений. Так началась 8-месячная осада города — «крысиная война» (rattenkrieg), как ее называли немцы. Блестящие знатоки танковой войны были почти бесполезны в уличных боях. Стычки шли между отдельными танками, то и дело вспыхивали рукопашные между мелкими группами пехотинцев, пробирающимися между грудами развалин. Как и при обороне Москвы, тысячи жителей Сталинграда строили укрепления, чтобы помочь защищать свой город. Одновременно русские партизаны, действующие с Кавказских гор, наводили ужас на германские тылы и наносили немцам значительные потери.
Первым на окраины города вышел XIV танковый корпус, который был послан вперед. Пехота еще оправлялась после четырехдневного тяжелого боя при захвате переправ через Дон. Паулюс сумел уничтожить 2 полные советские армии, но с севера прибыли еще более крупные силы русских. XIV танковый корпус фон Витерсгейма оторвался от остальных немецких сил примерно на 35 миль. Поэтому его коммуникации вызывали опасение, пока 2 сентября корпус не был сменен. Началась настоящая битва. Сталинградским фронтом командовал генерал В.Н. Гордов, который сменил маршала Тимошенко, отозванного Сталиным с фронта на должность советника в Кремле. Непосредственно обороной города руководил генерал Василий Иванович Чуйков, командующий 64 армией. Ему тогда исполнилось всего 42 года. Сталинград был крупным городом с населением более полумиллиона человек. Он протянулся вдоль западного берега Волги примерно на 18 миль. Его заводы производили танки, пушки, трактора, автомобили и много другого оружия. Однако в глазах немецких полевых командиров он не был жизненно важной целью, хотя Гитлер считал иначе. Гораздо важнее было захватить нефтяные вышки Майкопа, к которым 1 Танковая Армия вышла 9 августа. Ее конечноая цель — Баку — находилась еще на 300 миль дальше. Она стала почти не достижимой по мере того, как силы немцев распылялись по второстепенным направлениям.
К началу сентября защитники были загнаны на крошечный пятачок размерами 30 миль на 18. XIV и XXIV танковые корпуса 6 Армии соединились на юге с частями 4 Танковой Армии Гота, замкнув вокруг города стальное кольцо. Чуйков, отрезанный от остальных советских сил, отважно заявил: «Мы или удержим город, или умрем здесь». Немцы прорвались к центру города и подошли на 800 ярдов к штабу Чуйкова. Однако стало ясно, что Сталин не допустит потери города, носящего его имя. Он был полон решимости удержать Сталинград так же, как Гитлер — захватить его. Жуков писал: «Было ясно, что предстоящая битва будет иметь исключительное военное и политическое значение. С падением Сталинграда противник получал возможность отрезать юг страны от центра. Мы также могли потерять важнейшую водную артерию страны Волгу, по которой шел поток грузов из Приволжья и с Кавказа. Верховное Командование посылало в Сталинград все, что могло найти на тот момент». Совершенно понятно, что при этом обе стороны потеряли гораздо больше людей и техники, чем того стоил Сталинград. Петер Янг написал: «Сталинград стал Верденом Второй Мировой войны».
Несомненно, что битва под Сталинградом стала поворотным пунктом всей войны. Она также привела к серии перемен в германском верховном командовании. Первой жертвой стал фельдмаршал Лист. Его группа армий «А» была ослаблена потерей 4 Танковой Армии Гота и не смогла захватить нефтяные месторождения. Немцы сумели дойти только до реки Терек. Нетерпеливый Гитлер послал генерал-полковника Альфреда Йодля на месте разобраться, что происходит. Гитлер пришел в бешенство, когда вернувшийся Йодль сообщил, что полностью согласен с Листом, который хотел провести перегруппировку своих ослабленных сил. Йодль с трудом усидел на своем месте, но Листу это не удалось. Следующим стал начальник штаба армии генерал Гальдер, который поддержал Листа. Роммель, узнав в Африке об этих событиях, написал жене: «Я слушал, что фельдмаршал Лист снят. Я очень высоко его ценю, как ты знаешь». Потери в Сталинграде были очень высокими с обеих сторон. Однако русские могли возмещать их, а немцы нет. Они смогли наскрести только несколько саперных батальонов и недоукомплектованную танковую дивизию. Жестокие бои продолжались весь октябрь. Немцы захватили несколько ключевых опорных пунктов и даже подняли нацистский флаг над центром города.
Пока в городе шли бои, русские были заняты подготовкой мощного контрудара. Снова процитируем Жукова: «К ноябрю Верховное Командование должно было получить механизированные и танковые части, вооруженные высоко эффективными и маневренными танками Т-34, которые позволяли ставить перед войсками более серьезные цели». Первой «целью» стало самое слабое звено германского фронта, румынская 3 Армия, находившаяся северо-восточнее города. 19 ноября началась операция «Уран». После массированной артиллерийской подготовки более 500 танков Т-34 атаковали румын и буквально уничтожили XLVIII танковый корпус генерал-лейтенанта Фердинанда Гейма. Гитлер приговорил его к смерти, но потом помиловал, так как выяснилось, что его корпус был слишком слаб. Гейм был посажен в крепость, но потом освобожден и разжалован в рядовые! Русскими командовал генерал Николай Федорович Ватутин, который позднее участвовал и в Курской битве. В начале 1944 он провел аналогичную операцию на окружение на Украине, что также привело к тяжелым потерям для немцев. Вскоре после этой битвы Ватутин был убит украинскими националистами.