9月中旬起，蘇聯武裝力量大反攻的企圖和計劃的製定工作，在蘇軍最高統帥部領導下，同時在最高統帥部、總參謀部和方麵軍分別進行。結果，經過最高統帥部、總參謀部和各方麵軍軍事委員會的共同工作，製定出了當時情況下最佳的殲敵斯大林格勒集團的方法。這次圍殲戰，勝過著名的坎尼戰。
根據蘇聯戰略領導的決定，除了建立直接包圍的正麵外，還建立了防止敵人統帥部從外麵突破以解救其被圍部隊的對外正麵。在地圖上詳細規定了這個對外正麵的輪廓；對它所需兵力進行了周密的計算；特別注意確定了可能行動的地區。蘇軍總參謀部所製定的對德軍第6集團軍的包圍，隻是蘇軍在斯大林格勒勝利的開端。主要的是蘇軍爾後在蘇德戰線的南翼深入發展粉碎敵軍的各進攻戰役。
9月13日、14日、15日，對斯大林格勒保衛者來說，是極其艱難的日子。市區爭奪戰異常殘酷。當時，德軍用在斯大林格勒方向的兵力有50多個師，其中13個師直接投入市區的戰鬥。斯大林格勒方麵軍雖已擁有6個集團軍，但各個師都嚴重缺員，有的師甚至僅有800人。防守市區的蘇軍僅9萬人，但是，蘇軍士氣高昂，為保衛神聖的國土，個個視死如歸。德軍從南、北、西三麵包圍了斯大林格勒，蘇軍的陸上交通完全被切斷，伏爾加河成為支援這次會戰的唯一運輸線。敵人不顧一切，一步步通過市內的廢墟，愈來愈逼近伏爾加河。似乎斯大林格勒保衛者要支持不住了。但是，隻要敵人一向前推進，蘇軍第62和第64集團軍的英勇無畏的戰士就加以阻擊。市內古老建築物的廢墟變成了堡壘。然而，兵力卻在每時每刻都在減少著。在艱巨而且看來似乎是最後一刻的時候，羅季姆采夫的近衛第13師起了轉折作用。該師一渡過伏爾加河進入斯大林格勒後，立即就對敵人實施反衝擊。該師的突擊完全出乎敵人的意料之外。9月16日，近衛第13師奪回了馬馬耶夫崗。
戈洛瓦諾夫和魯堅科指揮的航空兵的突擊，以及斯大林格勒方麵軍部隊由北麵對德寇第8軍各部隊所進行的衝擊和炮擊，援助了斯大林格勒的保衛者。斯大林格勒方麵軍向第24、近衛第1和第66集團軍的官兵、空軍第16集團軍和遠程航空兵的飛行員不惜一切犧牲，對東南方麵軍的第62和第64集團軍固守斯大林格勒，給予了無可估價的幫助。尤需指出的是，如果沒有斯大林格勒方麵軍部隊頑強的反突擊，如果沒有航空兵的不斷攻擊，那麼，斯大林格勒的情況可能還會更加惡化。
從9月中旬起，斯大林格勒全市的街道和廣場都變成了激烈的戰場。蘇軍浴血奮戰，為爭奪每一個街區、每一幢房屋，甚至為每一層樓或每一個房間，都要展開反複的殘酷的戰鬥。後來甚至為爭奪廢墟而戰。第1火車站在1周之內曾13次易手，戰鬥的激烈程度可見一斑。保盧斯集團軍的一位德軍軍官寫道：“我們軍的各個部隊在9月份抗擊敵人企圖由北麵突破我斜切陣地的猛烈衝擊時，也遭受了慘重的損失。在這個地段上的各個師虛弱不堪，一個連一般隻剩下30～40人。”
9月底，斯大林又把朱可夫召回莫斯科研究更具體的反攻計劃。這時，在東南方麵軍左翼各集團軍研究反攻條件的華西列夫斯基也回到了莫斯科。去最高統帥部以前，朱可夫和華西列夫斯基會了麵，以便交換意見。
在討論斯大林格勒方麵軍地段的情況時，斯大林向朱可夫問道：
“你對戈爾多夫將軍的看法如何？”
“戈爾多夫在作戰方麵是一位成熟的將軍，但與參謀人員及指揮人員有點不和。”朱可夫彙報說。
“在這種情況下，應當任命另一位司令員擔任方麵軍的領導。你看誰適合？”斯大林說。
朱可夫提名羅科索夫斯基中將為這個職務的候選人。華西列夫斯基支持朱可夫的意見。於是，當時斯大林做出決定：斯大林格勒方麵軍改稱頓河方麵軍，東南方麵軍改稱斯大林格勒方麵軍。頓河方麵軍司令員由羅科索夫斯基擔任，其參謀長由馬利寧擔任。新組建的西南方麵軍司令員預定由瓦圖京中將擔任。決定以近衛第1集團軍司令部為基本核心擴建成西南方麵軍司令部。該集團軍司令員莫斯卡連科調任第40集團軍司令員。
接著，斯大林、朱可夫和華西列夫斯基詳細討論了反攻戰役的計劃。之後，斯大林轉過頭來對朱可夫說：
“請飛回前線去。要采取各種措施，更多地消耗和疲憊敵人。要再去看一看計劃中規定的預備隊集中地域和西南方麵軍及斯大林格勒方麵軍右翼的出發地域，尤其在謝拉莫菲維奇和克得列茨卡亞地域。華西列夫斯基也應以同樣的目的再去一次東南方麵軍的左翼，並在那裏研究計劃中規定的所有問題。”