9月5日拂曉，朱可夫將3個新銳集團軍投入反擊。激烈的戰鬥持續到傍晚，蘇近衛第一集團軍才前進了2～4公裏，而第二十四集團軍幾乎仍停留在原陣地。9月6日，蘇軍再次發起衝擊，但是，這次衝擊又一次被德軍擊退了。9月10日，蘇軍試圖從北麵實施突擊，恢複同第六十二集團軍的聯係，又遭到失敗。9月12日，斯大林召集朱可夫和華西列夫斯基開會，討論斯大林格勒的局勢，他們一致認為必須尋求另一種解決辦法。
在高加索方向，利斯特A集團軍群正以高速前進。8月9日，克萊斯特第一裝甲集團軍占領了梅柯普油田。8月22日，克萊斯特的士兵在海拔5600多米的厄爾魯斯山峰上升起了第三帝國的萬字旗。8月25日，克萊斯特部又攻占了莫茲多克，距格羅茲尼四周的前蘇聯最大產油中心隻有80公裏，距裏海也隻有160公裏。8月31日，希特勒要求A集團軍群司令利斯特元帥傾其所有的力量向格羅茲尼作最後進攻，盡快拿下油田。但德軍衝擊力迅速下降，進展緩慢。
9月9日，希特勒免去了利斯特元帥的A集團軍群司令的職務，由第一裝甲集團軍司令克萊斯特上將接任，第一裝甲集團軍司令則由麥肯森將軍繼任。克萊斯特上任後，雖然竭盡全力，也無法再前進一步。因為衝擊力喪失的主要原因是缺乏燃油。
此時，德軍在前蘇聯南部的戰線是從庫爾斯克和沃羅涅日起，通過斯大林格勒到莫茲多克，長達2000公裏以上。再加上從庫爾斯克到列寧格勒之間的1287公裏，德軍在前蘇聯的戰線全長已在3200公裏以上，而以德國的兵力和資源，根本就不足以維持如此長的戰線。特別危險的是，從斯大林格勒沿頓河上溯至沃羅涅什共長563公裏，竟毫無掩護。德國自己騰不出兵力來填補這個缺口，隻得在這一線部署了附庸國的3個集團軍：匈牙利第一集團軍在沃羅涅什南麵；意大利第八集團軍在東南麵更遠一些的位置；羅馬尼亞第三集團軍在斯大林格勒正西、頓河灣曲部的右側。
希特勒並非不知道這些裝備和戰鬥力都極差的附庸國部隊是不足以擔負這個任務的，但他卻深信隻要能迅速攻克斯大林格勒，就能迅速抽調出足夠的兵力。哈爾德卻不同意他的看法，認為斯大林格勒是不可陷入的，力主放棄這個作戰，並向西撤退。希特勒當然不肯聽從。結果，哈爾德被免去了陸軍總參謀長的職務，原駐法國的德軍總司令庫特凡·蔡茨勒上將被任命為陸軍總參謀長。
9月12日，希特勒從東普魯士飛抵烏克蘭的文尼察，召見了B集團軍群司令魏克斯上將和第六集團軍司令保盧斯上將，命令他們於9月13日對斯大林格勒發起新的進攻，並決定從高加索方向抽調9個師加強給第六集團軍。希特勒強調，要盡快拿下斯大林格勒。
9月13日，德軍的2個集團軍13個師，共17萬兵力，得到5個受過專門巷戰訓練的工兵營的加強，在1700門火炮和500輛坦克的支援下開始攻城。保盧斯第六集團軍擔當主力，從城北實施猛烈突擊。霍特第四裝甲集團軍則從城南推進，策應保盧斯在城北的主攻。
9月14日，德軍進攻市中心的馬馬耶夫高地和1號火車站，在不到4公裏寬的地段上集中了6個師，並有數百架飛機從空中支援。在短短5小時內，火車站曾反複易手4次。德軍曾一度占領了高地。德軍很清楚，占領馬馬耶夫高地，就可以控製整個城市、廠區和伏爾加河。
蘇軍近衛步兵於14日和15日夜，冒著敵機轟炸，乘坐汽艇、駁船渡過伏爾加河增援市區戰鬥。16日，守城部隊又與第六十二集團軍配合奪回了馬馬耶夫高地。16日和17日，在馬馬耶夫高地和1號車站，德軍以50至60架飛機為一批，對蘇軍進行密集轟炸突擊，成噸重的炮彈，203毫米口徑的炮彈，把整個地麵炸翻了過來。9月17日，蘇軍又增調兵力給第六十二集團軍，德軍一度進到距蘇軍第六十二集團軍指揮所僅600米處。