蘇軍在市中心的頑強抵抗，特別是近衛步兵第13師的抵抗，狠狠地打擊了敵人。迫使保盧斯不得不把第二突擊群的全部兵力投入戰鬥。但是，蘇軍部隊和技術裝備也遭到巨大損失，在優勢敵軍麵前，不得不一步步地向後退卻。盡管有時隻是100—200米，但退卻更激起頑強的抵抗。德軍每前進一步。也都付出了極大的代價。
9月16日上午，崔可夫中將向方麵軍軍事委員會報告，第62集團軍已經沒有了預備隊，而敵人卻不斷地把生力軍投入戰鬥。這樣的浴血奮戰還將持續下去。集團軍的戰鬥力將進一步被削弱。他請求再給加強2—3個新銳師。
顯然，方麵軍首長很了解城裏的情況，也清楚城市作戰的意義。很快，步兵第92旅和坦克第137旅被派到城裏，配屬給第62集團軍。
9月17日，斯大林格勒方麵軍決定進行反突擊：在阿卡托夫卡和庫茲米奇地段向南轉入進攻，與保衛斯大林格勒的部隊，即在城市西南方向的第62和第64集團軍會師。
葉廖緬科上將在當天晚上通知崔可夫，進攻即將開始，要求第62集團軍用右翼部隊對敵實施正麵反突擊，同時從“紅十月”村、從馬馬耶夫崗地域向西南實施突擊，分割並消滅城市西部的敵人。在消滅衝入伏爾加河雷諾克地區的德軍中如取得勝利，第62集團軍應向方麵軍靠攏。為了加強集團軍右翼，特增派由B·A·戈裏什內上校率領的步兵第95師給第62集團軍。
對於被敵人逼到伏爾加河岸邊的第62集團軍來說，迫切需要與側翼的友鄰部隊會合。因此，盡管困難重重，崔可夫仍然決定，在右翼用兩個步兵旅和一個團的兵力，向敵人實施突擊，加快與在城北作戰的部隊會合。
由於察裏察河穀的指揮所不斷遭受炮擊，9月17日晚，指揮所轉移到“紅十月”碼頭以北的伏爾加河岸邊，一個儲油槽的下邊。
9月18日，太陽剛一露頭，德軍飛機就出現了，在車站和馬馬耶夫崗一帶轟炸並衝擊第62集團軍的戰鬥隊形。空襲之後，大炮、追擊炮緊接著開火，德軍繼續發起猛攻。這時，斯大林格勒方麵軍的左翼，由近衛第1集團軍、第24和66集團軍開始向左姆拉克、戈羅季謝方向上的敵人進行反突擊。殘酷的戰鬥進行了兩天，德軍被迫從攻城部隊中抽出大批部隊和兵團阻擊蘇軍北方集群的進攻。但是，市中心的戰鬥仍然在激烈進行，德軍憑借優勢兵力，仍然繼續向前猛衝。第62集團軍的防禦更加艱苦，雖然他們堅守著主要陣地，但力量卻被德軍鉗製在市中心，車站也被德軍占領。
9月18日夜間，戈裏什內師渡過伏爾加河，他們來不及熟悉情況和做好準備，就迅速投入戰鬥。攻占並堅守著馬馬耶夫崗。
9月19日，在戰鬥中受到極大削弱的羅季姆采夫少將的近衛第13師，堅持在市中心進行巷戰。德軍不惜任何代價，決心擊潰這個師，向伏爾加河的中心碼頭逼近，從而把第62集團軍截成兩段。近衛第13師的處境嚴重惡化，而集團軍司令部抽不出哪怕是一個營的兵力去幫助他。近衛戰士們隻好硬挺著，堅持抵抗。
在戈裏什內的步兵第95師和葉爾莫爾金上校的步兵第112師戰鬥著的馬馬耶夫崗地區，形勢也相當危急，德軍決心要控製這個高地，組織起輪番進攻。
杜比揚斯基上校的近衛第35師的部隊嚴重減員，已無力進行任何有組織的戰鬥。因此，崔可夫決定把剩餘人員和武器裝備，交給步兵第42、第92旅，而把師指揮機關撤往伏爾加河左岸重新整編。
戰鬥仍在激烈地進行。9月20日，德軍對伏爾加河各渡口進行了猛烈的炮擊。並集結新銳力量，向位於蘇軍防禦中心的察裏察河左岸和伏爾加河渡口推進。由巴特拉科夫上校指揮的步兵第42旅展開頑強防禦，一次次打退了敵人的衝擊。
羅季姆采夫的近衛步兵第13師防禦地段，情況也十分嚴重。中午，德軍自動槍手衝入中心渡口地區，師指揮所已開始用衝鋒槍與敵對射。該師的近衛第42團的部分部隊已處於半包圍狀態。派去增援的原該師39團因為遭到敵機連續的轟炸，遲遲不能到達中心碼頭。集團軍隻能用伏爾加河左岸的炮兵火力援助這個師，然而，這隻是杯水車薪。
當天，斯大林格勒方麵軍和東南方麵軍軍事委員會發布命令指出，過去的兩個月，斯大林格勒的保衛者們打退了敵人100多次的衝擊，在鬥爭中表現出異常英勇和頑強的精神。軍事委員會命令各部隊要堅決、大膽、果斷、迅速、勇敢地戰鬥。