經過研究，蘇聯最高統帥部認為，蘇軍的行動計劃應該是：第一，繼續以積極防禦疲憊敵人；第二，著手準備反攻，在斯大林格勒地區圍殲法西斯軍隊。斯大林令朱可夫和華西列夫斯基迅速返抵前線，著手製定實施這一重大行動計劃，並爭取盡早實現重大的戰略轉折。
在德國方麵，由於其夏季攻勢連續得手，希特勒更加飄飄然了。他在總結時說：“俄國人已經精疲力竭了，他們已不能再進行可能對我們構成危險的廣泛的戰略性的報複行動。此外，頓河北翼將從盟國軍隊方麵得到很多的增援部隊。在這種情況下，我看不出北線有什麼危險。在其他方麵必須關心的是，要盡快把城市拿到自己手中，不讓它變成大家長期注目的焦點。”
為了侵占這座曆史名城，希特勒又從高加索等地調來9個師，使其在斯大林格勒方向的兵力增加到50個師，70多萬人。用來直接進攻市區的有13個師，17萬人。他們擁有1700門大炮和迫擊炮，約500輛坦克。
到9月13日為止，蘇軍在斯大林格勒方麵軍防守從巴甫洛夫斯克到耶爾佐夫一線；東南方麵軍有4個集團軍，防守斯大林格勒市區和南部的湖泊地帶。這兩個方麵軍共有120個師，但人員編製缺額，許多師隻有編製人數的20%－25%，有的師僅有800人。在市區爭奪戰中，德軍的兵力和武器方麵均占優勢。
在1942年，蘇聯紅軍的宣傳人員和政工人員，展開了“狙擊手運動”。狙擊手們被鼓勵參加一個恐怖的競賽——比別的師狙擊小組更多的射殺法西斯。達到40次擊殺的狙擊手被授予勇敢勳章和“卓越狙擊手”稱號。
這種社會主義競賽延伸到戰場上，使師級指揮官用所剩不多的資源去射殺更多的法西斯。狙擊手運動的最高峰是廣泛的宣傳一場生死對決的故事——紅軍下士瓦西裏和德軍少校科寧在斯大林格勒廢墟中的戰鬥。瓦西裏的最終紀錄是149次擊殺。最高紀錄是奇坎的224次擊殺。21軍的軍士帕瑟在獲得“卓越狙擊手”稱號時有103次擊殺，政委裏令有185次擊殺紀錄。（紮伊采夫和科寧的生死對決，被認為是蘇聯宣傳機器製造的童話，而且德國也並沒有故事中科寧少校所教學的那所狙擊手學校。）
紅軍狙擊戰術的成功，在斯大林格勒攻防戰中達到巔峰。當時他們在城內大工廠中設立狙擊學校，現炒現賣，大量速成的狙擊手把德軍第6集團軍引入巷戰的泥沼中，使德軍無法快速攻占整個市區，為朱可夫元帥提供了準備反擊的充分時間。這時在斯大林格勒，也上演了一出二次大戰中最具戲劇性的狙擊手對抗賽。
在蘇聯的體係下，狙擊手被分為若幹組，每組兩人。一名狙擊手，一名觀察員。所有的組員都是合格的射手。每次射殺後，雙方互換角色。狙擊手除了擔負偵察的任務外，還應迂回射擊敵軍，以擾亂其正 常的行動和通訊。觀察員除了應協助狙擊手搜索重要目標外，還應擔任警戒的任務，並記錄和確認每次射擊的結果。每個狙擊手都隨身攜帶著一個射殺記錄本。上麵記載著每次射擊的日期、時間、地點和結果。該記錄本同樣記錄德軍的數量和行動情況。前麵已經提到過，每個排都安排著一名狙擊手，直接歸排長指揮。而大部分狙擊組獨立行動，一般在軍隊前方進行偵察。
1942年9月13日，德軍對斯大林格勒市區發動進攻，雙方進行了異常激烈殘酷的街巷戰。兩軍緊緊圍繞每一條街道，每一座房屋，展開激烈的戰鬥。蘇軍在雙方爭奪激烈地區的房屋內、街區上都密布了地雷。有時，僅為了爭奪一座建築物，雙方要拚死戰鬥幾個星期。僅9月14日和15日兩天，在市區中心區就有2000多名德軍被擊斃。
如：在斯大林格勒市的1號火車站，雙方的爭奪戰持續了一周多的時間，德軍曾先後 13次攻占了該火車站，蘇軍又13次從德軍手裏將其奪回。又如，蘇軍24名戰士在市區一幢4層高的普通樓房裏，堅守了 58天，德軍對其進行反複攻擊，傷亡慘重，但仍不能將樓房攻下。
在這場激烈的戰爭中，蘇聯紅軍成功地運用了狙擊戰術。根據蘇聯公布的資料，其狙擊手遍布各條戰線，有成千上萬的敵軍死在這些神槍手的槍下。為了給狙擊手以特別的獎勵，1942年，蘇聯專門為優秀狙擊手頒發了狙擊手獎章，有4名狙擊手獲得了最高蘇維埃獎賞，並榮獲“蘇聯英雄”稱號。
這這樣，斯大林格勒戰役防禦階段，以德軍的失敗而告終。從7月到11月間，德軍在頓河、伏爾加河地域和斯大林格勒的戰鬥中，損失近70萬人、1000多輛坦克、2000多門大炮和迫擊炮、1400多架飛機。他們沒有師和軍的預備隊，在“B”集團軍群兩翼是戰鬥力不強的羅馬尼亞、意大利和匈牙利軍隊，他們已經開始認識到自己毫無前途的處境。這時蘇德兩軍力量對比已經發生了新的變化。在斯大林格勒方向，德軍及其仆從國共有80個師，3個旅，總計100萬人，大炮和迫擊炮1.0290萬門，坦克675輛，飛機1216架。
蘇軍在斯大林格勒方向已有三個方麵軍，共110萬人，1.55萬門大炮和迫擊炮，1463輛坦克和強擊火炮，1350架飛機。從兵力和兵器對比上，這時蘇軍已占優勢，大炮為1.5比1，坦克為2.2比1.蘇軍的這三個方麵軍，已配備有嶄新的T-34型坦克，1250台“喀秋莎”火箭炮。這些火箭炮一次就可以同時發射1萬發炮彈。蘇軍兵力和武器的增強，為大規模反攻創造了必要條件。
到11月13日，蘇軍十分巧妙地、隱蔽完成了這一巨大的反攻準備工作，致使德軍沒有發現。希特勒錯誤地估計：斯大林地區蘇軍的後備力量空虛，在冬季隻可能對德軍的中央集團軍群進行反攻，所以他從法國、德國以及列寧格勒等地區抽調12個師去加強其中部防線。
按照朱可夫和華西列夫斯基策劃的、由斯大林批準的斯大林格勒反攻戰役，於1942年11月19日開始。清晨，在斯大林格勒西北麵，蘇聯西南方麵軍的兩千門大炮開始轟鳴。接著，蘇軍兵分兩路，以坦克部隊為先導，向羅馬尼亞第3集團軍陣地衝擊。敵軍驚惶失措，開始瓦解。幾個小時後，消息傳到伯希特斯加登，希特勒和德國最高統帥部的主要將領們正在阿爾卑斯山上流連忘返。留在臘斯登堡的新任陸軍總參謀長蔡茨勒將軍，打來了加急電報，突然間打斷了他們的寧靜生活。
在進攻開始的最初幾個小時中，占壓倒優勢的一支蘇軍裝甲部隊，在斯大林格勒西北的頓河沿岸，在綏拉菲摩維奇和克列茨卡林之間，全麵突破了羅馬尼亞第3軍團的防線。
在斯大林格勒這個被包圍的城市南麵，另一支強大的蘇聯部隊正在猛攻德軍第4裝甲軍團，眼看就要突破他們的防線了。在此情況下，德軍第6集團軍不是倉皇向西退卻，就是束手就擒。為此，這位總參謀長建議希特勒，同意第6集團軍從斯大林格勒撤退到頓河河曲一帶，恢複被突破了的陣線。