在當時的情況下，蘇軍要奪回被德軍占領的地方是極端困難的，幾乎是不可能的。但是，為了奪回戰鬥的主動權，蘇軍實施了反攻並進行了頑強的戰鬥。同時，部隊在最關鍵時刻的堅固和積極的防禦粉碎了德軍侵占斯大林格勒的陰謀。
德軍突破伏爾加河防線和在接合部切斷第62和64集團軍相鄰兩翼之間的聯係，使其可能沿伏爾加河右岸向蘇軍防禦部隊翼側和後方擴展。為此，蘇軍采取了提高部隊警惕等一些必要措施。
（第64集團）軍於9月18日下達戰鬥命令指出，鑒於敵人前出到伏爾加河庫波羅斯諾耶及其以北一帶，他們有可能在那裏敷設水雷，沿河向集團軍翼側和後方派遣由自動步槍手組成的登陸隊並前出到渡口。為阻止敵人的行動，命令近衛步兵第36師和步兵第126師在伏爾加河右岸各自地段上組織警戒和防禦。命令中要求要經常進行巡邏、觀察，對河岸及河麵（乘船）進行偵察。要組織由自動步槍手組成的特種分隊對付敵人的登陸部隊，把這個分隊部署在河岸上並配備直接瞄準火炮。特種分隊配備有照明彈和信號彈。命令中強調：“夜間，分隊尤其要提高警惕並做好戰鬥準備。”
18日，戰鬥達到熾熱狀態。德軍繼續向蘇軍發起猛攻，企圖占領斯大林格勒中心及城南市區。
為了粉碎德軍的陰謀，改善第62集團軍的處境，各部隊采取了積極的行動。
在古姆拉克、戈羅季謝方向上，蘇軍對斯大林格勒方麵軍左翼的德軍進行了反突擊，第62集團軍右翼部隊負責對德軍實施正麵反突擊。
在消滅衝入伏爾加河雷諾克地區的德軍後取得勝利，崔可夫的集團軍向斯大林格勒方麵軍靠攏。
為了加強第62集團軍的力量，在集團軍的編成內增加了戈裏什內上校指揮的步兵第95師（於9月19日至20日奔赴右岸）。
9月19日，蘇軍實施了突擊。經過兩天的殘酷戰鬥，雖然德軍所有的陣地都守住了，但德軍的主要力量在關鍵時刻被鉗製在了市中心。
當日，蘇軍步兵第92旅在進攻工農大街時將德寇趕出了斯大林格勒2號車站，並前出到糧庫。同時，被德軍包圍的步兵第42旅也突出了包圍圈。
蘇軍各部隊激烈而頑強的在市中心繼續進行著戰鬥。
9月20日，德軍航空兵的飛機炸毀了斯大林格勒1號車站。這時，蘇軍占據著車站廣場旁邊的“共產主義樹林”，並在這裏構築了塹壕。
晚上，德軍在達爾—戈拉地區集結了大量兵力，對伏爾加河各渡口進行了猛烈的炮擊。德國人的自動步槍手突破了察裏察河左岸並向伏爾加河各渡口推進，但是，巴特拉科夫上校指揮的蘇軍步兵第42旅實施的反衝擊把他們從那裏驅趕了出去。
當天，斯大林格勒方麵軍和東南方麵軍的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。
“我們要求各部隊更加頑強地、英勇地作戰。各級指揮員要深入戰場直接指揮戰鬥。在這場偉大的會戰中，每位軍人都不能手軟。膽小怕死、驚慌失措的行為在我們隊伍裏是沒有市場的。各兵種部隊的共同任務是消滅斯大林格勒城郊的德寇，並為粉碎敵人，肅清侵入我國境內的野蠻侵略者打下基礎。”
21日晨，德軍打退了第62集團軍從斯大林格勒拖拉機廠西麵及西南麵的工人住宅區、“街壘”工廠、“紅十月”工廠發起的進攻，也擊退了第64集團軍在庫波羅斯諾耶以南實施的突擊。
德軍大量步兵在100輛坦克和航空兵的密集轟炸的支援下，開始向蘇軍近衛步兵第13師，步兵第42和92旅發起進攻，並在斯大林格勒市中心逼進伏爾加河，企圖分割和最後消滅蘇軍第62集團軍。
由於這些兵團所防禦的地區上空出現了大量德軍的轟炸機，而且德軍的密集炮火擊中了這些兵團的陣地，所以蘇軍斷判出這些陣地是德軍的主突方向。
於是，蘇軍立即著手采取反突擊的措施。
蘇軍的遠程炮立刻開炮，壓製住了德軍炮兵的火力，同時，高射炮也向德軍航空兵開火。
作戰飛機騰空而起，同德軍飛機展開搏鬥。
第62集團軍近衛步兵第13師、步兵第95師、步兵第42和92旅以堅決的行動，打退了德軍的進攻。
但是，傍晚時分，德軍的先遣支隊終於得以沿通向伏爾加河岸的莫斯科大街衝入步兵第42和92旅的防禦地域——伏爾加河岸的中心碼頭。
針對這種情況，第62集團軍發出戰鬥命令：
“敵人的先遣部隊衝向碼頭地區，分割了集團軍的戰線，切斷了步兵第92旅同近衛步兵第13師的聯係，破壞了中心渡口。
命令集團軍各部隊在打退敵人進攻的同時，要繼續完成消滅占領市中心的敵人的任務。”