大林格勒方面军和东南方面军虽有120个师，但人员缺额严重，实际防守斯大林格勒的是第62和64集团军，共有9万余人，1000余门火炮，120辆坦克。

9月13曰，德军开始攻城。而在此之前，德军Ju-88式轰炸机用燃烧弹将市区炸成废墟，伏尔加河沿岸对斯大林格勒的水路增援也受到影响。保卢斯第6集团军担当主力，从城北实施猛烈突击。霍特第4装甲集团军则从城南推进，策应保卢斯在城北的主攻。苏军崔可夫中将指挥的第62集团军和舒米洛夫少将指挥的第64集团军受领了保卫斯大林格勒市区的任务。

14曰，德军从城北突入市区，与苏第62集团军展开了激烈的巷战，双方逐街逐楼逐屋反复争夺。斯大林格勒变成了一片瓦砾场，城中80%的居住区被摧毁。在满是瓦砾和废墟的城中，苏联第62集团军顽强抵抗，在城中的每条街道，每座楼房，每家工厂内都发生了激烈的枪战。攻入城中的德军死伤人数不断增加。尽管德军对伏尔加河东岸进行频繁的轰炸，但是苏军还是从那里得到了不断的补给和支持。刚刚赶赴城中的红军战士的平均存活时间不超过24个小时，军官也只有约三天的平均存活时间。德军的主要战术是各兵种联合作战，非常重视步兵、工程部队、炮兵和空军的地面轰炸的协调。为了对抗这种战术，苏军指挥官采取了贴身紧逼的策略，尽量将己方的前线与德军贴近。这样导致了德军的炮兵部队无法发挥远程攻击的优点。

中华帝国志愿军飞虎队出动五十架A5夜间双座强击机投入对斯大林格勒战役的支援行动，给入城德军坦克以重大杀伤。同时，苏军当中的中械部队多配备有反坦克火箭筒和反坦克狙击步枪，这些在莫斯科保卫战中已经发挥了巨大的作用，此时同样被苏军拿来使用，效果亦非常明显，打退了德军坦克部队的多次进攻。

9月15曰，德军对马马耶夫高地实施重点突击。