與此同時，蘇軍最高統帥部和總參謀部也對當前的形勢進行了詳細係統的剖析，並於9月中旬得出結論：在不久的將來，形勢將有可能發生根本性的好轉。斯大林格勒附近的德軍已無力進攻，實際上已被阻止。尤其重要的是，在蘇聯歐洲部分的縱深內，在西伯利亞和中亞已完成組建和訓練最高統帥部預備隊的工作，有可能將其調往斯大林格勒了。這些部隊，尤其是坦克部隊，是一支能夠根本扭轉斯大林格勒附近局勢，使之對蘇聯有利的強大力量。此外，由於黨政工作的加強，所有作戰部隊和預備隊中無一例外地根除了第227號命令中所指出的無組織、無紀律現象。蘇軍防禦的穩定性明顯增強。部隊士氣日益高漲，指揮員的威信和一長製得到進一步加強。現在需要的是周密計劃各個戰役，並進行必要的物質準備，以及用一定時間在部隊人員中進一步提高高昂的進攻銳氣，樹立殲滅敵人的決心並做好充分的準備。
9月12日，斯大林召集朱可夫和華西列夫斯基開會。斯大林和兩個彙報人對斯大林格勒地域的作戰結果都不滿意。通過討論，他們對斯大林格勒的形勢得出一致的結論：“必須尋求另一種解決辦法”。朱可夫和華西列夫斯基受命製定粉碎伏爾加河畔德軍突擊力量的戰役企圖。
9月13日整個夜晚，朱可夫和華西列夫斯基都是在斯大林格勒地域的地圖旁度過的。他們為總參謀長提供了有關德軍、蘇軍尤其是蘇軍預備隊和向斯大林格勒方向集中的可能性和時限的參考材料。朱可夫和華西列夫斯基終於把標有戰役企圖的地圖準備好了。斯大林同意了他們的意見，勝利的關鍵是在蘇德戰線的南翼實施決定性的反攻，並決定在斯大林格勒西北和以南德軍第6集團軍和坦克第4集團軍的翼側突破敵防禦，合圍和殲滅敵斯大林格勒集團。爾後，所有兵力向羅斯托夫總方向發展進攻。同時規定，在西方向上實施鉗製性進攻戰役。用以實施反攻的由斯大林格勒方麵軍、東南方麵軍和沃羅涅日東南新組建起來、尚未定名的方麵軍，以及伏爾加河區艦隊、遠程航空兵。各方麵軍都補充了一些最高統帥部預備隊的兵團和軍團，其中大多數是快速部隊，尤其是坦克部隊。朱可夫、華西列夫斯基，隨後沃羅諾夫和沃羅熱伊金，都作為最高統帥部代表奔赴前線，以便在各個部隊現地進一步完善已有基本輪廓的戰役企圖。總參謀部有關人員與他們一同前往前線。
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人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惟一運輸線。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。