斯大林格勒保衛者們繼續在戰鬥。馬馬耶夫崗、107.5高地、拖拉機廠地區內和察裏察河口地區內通往伏爾加河的要道都已掌握在德軍的手中。第62集團軍的防地盡在德軍大炮的射程之內，一些地方甚至在德軍機關槍、自動步槍的射程之內。城內蘇軍堅守的大樓都被德軍航空兵炸毀，交戰的槍炮聲、廝殺聲和熊熊大火交織在一起。
戰場態勢的改變和主動權的恢複，往往產生於再堅持一下的努力之中。在蘇軍的頑強堅持下，他們終於迎來了這一時刻。
10月下旬，第62集團軍的整個處境終於發生了質的變化。經過幾天的激烈交戰，擔任攻城任務的德軍已精疲力竭。從總體上看，鬥爭的最危急的時期已經過去了。
在10月的戰鬥過程中，經過艱苦奮鬥，德軍僅僅占領了拖拉機廠，並從這裏楔入蘇軍的防禦，前行至伏爾加河。第62集團軍的戰線雖曾兩次被切斷，但德軍並沒有取得決定性的戰果，沒有挫敗城市保衛者的抵抗。與此同時，德軍的突擊力量和進攻勢頭開始逐漸減弱。
堅守斯大林格勒城區的第62和第64集團軍的頑強抵抗，消耗了德軍大量的有生力量。但是，許多街道和城裏的一塊塊街區都落在德軍的手裏。
此時，蘇軍最高統帥部大本營預見到，德軍強渡伏爾加河的危險性依然存在，而且一旦其渡過伏爾加河，戰局將可能發生逆轉。因此，大本營決心堅決阻止德軍越過伏爾加河。
此時，遠在德軍大本營的希特勒則認為，斯大林格勒的作戰進程雖然緩慢，但會戰的結局肯定會有利於他。
然而，戰局卻正在向與希特勒的判斷相反的方向發展著。
蘇軍依靠強大的後方，使其在斯大林格勒的力量不斷增強。在斯大林格勒方向上，蘇軍的兵力和裝備逐漸得到擴充，並采取了一些阻止德軍可能突然強行渡河的措施。
10月，根據大本營的指示，蘇軍將三個築壘地域移到伏爾加河左岸，編入坦克第2軍的防禦體係。
新的兵團陸續抵達斯大林格勒地區。城南集結了騎兵第4軍的第61師和第87師。步兵第7軍（步兵第93、96、97旅）在杜博夫卡和維亞佐夫卡地區的集結也已完成。調到斯大林格勒方麵軍的部隊還有步兵第169師和第45師。有7個步兵師從大本營預備隊調到了頓河方麵軍。
為了組織斯大林格勒地區伏爾加河諸島嶼（斯波爾內、紮伊采夫斯基、戈洛德內、薩爾斯基）的堅固防禦，蘇軍大本營給斯大林格勒方麵軍調來了機炮營，同時將索科洛夫上校指揮的步兵第45師、1個防空團和20挺大口徑機關槍都調到了斯大林格勒方麵軍。
斯大林格勒方麵軍和頓河方麵軍為了執行最高統帥部的命令，正準備進行一次新的進攻戰役。
第64集團軍開始組建突擊集團，定於10月22日前，在城西北方向和市中心實施突擊。
頓河方麵軍受領的任務是，采取積極行動，牽製市內德軍兵力。
第64集團軍的反攻，於10月22日開始了。出其不意的反攻使德軍措手不及。很快，蘇軍就占領了146.0高地，並在庫波羅斯諾耶、安德烈耶夫斯基農莊、澤廖納亞波利亞納、佩斯昌卡方向，順利地向西北推進，擊退了德軍步兵第295師和第71師，以及第100師和摩托化步兵第29師的部分部隊的瘋狂反擊。
德軍時而撤退、時而抵抗，時而又調遣預備隊進行反擊，企圖阻止第64集團軍反擊部隊向前推進。
當第64集團軍反擊部隊解放了安德烈耶夫斯基農莊和澤廖納亞波利亞納接近地上的無名高地時，他們的戰鬥隊形陷入了孤立突出的境地。
此時，德軍使用100多門大炮向他們開火，炮轟後又將100多輛坦克和近2個步兵師的兵力投入反攻。
德軍坦克突破了第64集團軍反攻部隊孤立的戰鬥隊形，但進入蘇軍防禦縱深後，被蘇軍的反坦克炮所消滅。德軍步兵脫離自己的坦克，進行連環式反衝擊。蘇聯步兵和穿著呢外衣、戴著海軍無簷帽的水兵們，用火力和刺刀阻擋住了德軍的反衝擊，並以巨大的代價堅守住了奪回的陣地。
夜間，德軍調來了預備隊，從而使其在步兵兵力和坦克數量上形成優勢，迫使第64集團軍進攻兵團退回到原來的陣地。
在第64集團軍反擊時，斯大林格勒方麵軍和頓河方麵軍左翼兵團也向當麵德軍發起了反擊。他們的進攻取得了重要成果，不僅把德軍的很大一部分兵力從第62集團軍方向上引開，而且還阻止了德軍在主突方向上重新調配其兵力。
10月25日晨，經過40分鍾的炮火準備和航空兵突擊後，第64集團軍的右翼兵團再次轉入反攻。這次反攻仍在庫波羅斯諾耶和澤廖納亞波利亞納地區進行。
激烈的戰鬥在戰線的這個地段上從10月25日一直持續到11月1日。當蘇軍進攻部隊向前推進3～4英裏，並占領了庫波羅斯諾耶南部後，德軍實施了頑強的抵抗，使蘇軍部隊無法繼續推進。但這次反突擊，牽製了德軍的大量兵力。
德軍沿伏爾加河河岸向“街壘”廠方麵不能擴大突破口，於是打算從拖拉機廠往北向斯帕爾塔諾夫卡工人新村推進。但是，德軍在這裏被在包圍圈裏進行搏鬥的戈羅霍夫上校的北方集群截住了。北方集群此時在伏爾加河、麥切特卡河和拉托善卡新村之間8平方英裏的土地上執行防禦任務。
11月2日，在北方集群的防禦正麵上，戰鬥又以新的聲勢開始了。早晨7時，德軍開始進行大炮和迫擊炮的瘋狂轟擊，轟炸一直持續10個小時。
17時整，德軍發動了坦克攻擊，在德軍炮轟時，蘇軍進行了嚴密防護，使兵力、兵器得到了有效的保存。所以，當德軍開始發起攻擊時，蘇軍在自己的陣地上好像從未遭到狂轟濫炸一樣，猛烈地還擊了他們。
兩天後，德軍重新轟炸。這一次不僅轟炸北方集群的陣地，同時還轟炸了伏爾加河左岸及蘇軍炮兵火力陣地所在的群島。但是，當德軍再發起衝擊時，同樣遭到了蘇軍有力的還擊。
德軍在這個方向上的全部行動，都遭到了失敗。
古裏耶夫少將指揮的近衛步兵第39師負責保衛“紅十月”工廠，那裏的戰鬥進行得也很激烈。
經過6天的苦戰，德軍於10月後半月進入了廠區，並於27日占領了工廠西北部。
科科林中校在描述古裏耶夫將軍師下屬一個部隊的戰鬥行動時說：“從這時起，我們為爭奪每一個戰壕、每一所房屋都要日夜苦戰，因為伏爾加河就在我們身後。我們一直也沒讓法西斯侵略分子在‘紅十月’廠區向伏爾加河靠近。”
10月29日，方麵軍司令員葉廖緬科上將把剛從大本營預備隊調來的索科洛夫上校的第45正規步兵師及坦克第235旅的一個坦克連調集到這裏，增援近衛步兵第39師。這就為對敵實施反突擊提供了條件。
反突擊是在10月31日，在前線航空兵和方麵軍炮兵群的支援下組織實施的。古裏耶夫和索科洛夫的部隊以堅決有力的反擊，一舉將德軍從“紅十月”工廠一些最大車間及成品倉庫驅逐出去。直至蘇軍轉入反攻這一段期間，工廠內的激戰從未間斷過，但德軍始終未能全部占領工廠和逼近伏爾加河。
德軍為保住在斯大林格勒已經占領的領土，開始修築工事，設置防步兵和防坦克障礙物，以便阻止蘇軍的進攻行動。針對這種情況，第62集團軍命令各部隊，要晝夜不間斷地監視敵人，並對已暴露出的工程點實施機關槍掃射和炮擊，以摧毀敵人設置的各種障礙物。
斯大林格勒久攻不下，使希特勒極為不滿。他對他的將軍們大發雷霆，命令他們盡快拿下斯大林格勒。為此，他要求繼續“增強力量”，實施進攻。
按照希特勒的旨意，德軍在11月11日至12日，再次向蘇軍第62集團軍大舉進攻。
參加這次進攻的德軍部隊共有5個步兵師和2個坦克師。加強這些部隊的是特意用飛機運到斯大林格勒的許多獨立部隊。
11月11日傍晚，德軍終於攻克了步兵第95師第241團的防線，攻占了“街壘”廠南部，並在寬達500米的地段上突向伏爾加河。但德軍在其他地段上的衝擊均被一一擊退。
在蘇軍的頑強抗擊下，德軍遭到了慘重的傷亡，以至他們的許多師隻剩了個番號。德軍第305師和第79師幾乎是全軍覆沒。
蘇軍第62集團軍各部隊也大傷元氣，每師隻剩下500～600人。到1942年11月11日止，第62集團軍的基本狀況是：全軍4.7萬人，大炮和迫擊炮約800門，坦克19輛。
同時，第62集團軍的防禦被分割成了三個孤立的部分：一部分是雷諾克區，斯帕爾塔諾夫卡-戈羅霍夫上校北方集群（步兵第124旅和第149，每旅500～600人）在這裏作戰。該集群從10月14日起，就與集團軍主力斷絕了聯係。另一部分是“街壘”廠東部，剩下不到320人的柳德尼科夫的步兵第138師仍在這裏的小登陸場上堅持頑強的防禦。還有一部分是第62集團軍的基本戰線——從“紅十月”工廠到碼頭（第95師、第45師的部隊，第193師的混編團，近衛第39師和第284師的部隊）。羅季姆采夫少將的近衛第13師占據該地段左翼，他們的陣地在伏爾加河沿岸附近。
德軍占領了伏羅希洛夫區（從市中心到庫波羅斯諾耶山穀）。舒米洛夫少將指揮的第64集團軍，仍然防守城南從庫波羅斯諾耶山穀到紅軍（農業）區的地段。
保盧斯的德第6集團軍把斯大林格勒的保衛者趕到了伏爾加河岸邊。他們再往下趕一步，就可能使局勢發生重大變化。但是，他們已經無能為力了。德軍每前進一步，都要付出巨大的代價。
德軍突進到“街壘”廠以南的伏爾加河附近後，蘇軍步兵第138師與第62集團軍主力的聯係就被切斷了。盡管如此，柳德尼科夫指揮的步兵師在與左鄰部隊和自己後方失去聯係的情況下，依然堅守著正麵大約長700米和縱深400米的地段，反擊敵人來自北、西、南三麵的進攻，一直同攻擊自己陣地的德軍3個師奮勇作戰。
11月11日，每個團平均隻有70～100人的步兵師第138師，擊退了敵人6次衝擊。步兵第138師的對手是德軍第389師和第305師，以及工兵第40營、第50營和第336營，共計1600人，但德軍的衝擊全部被柳德尼科夫的士兵們擊退。
當年會戰參加者、德軍工兵營營長韋爾茨的回憶，真實地描述了當時的戰鬥情況：
從這個高地我們可以看到斜對麵的整個進攻地帶……在夜幕的掩護下，各分隊正在進入出發陣地。各連、排也在集合，再次檢查了武器裝備和近戰兵器。憑經驗，我預感有什麼事馬上就要發生似的。
突然，寂靜被打破。萬炮齊鳴震耳欲聾，我們身後一束束急速的火光劃破夜幕直刺天空。幾百發炮彈好似大雨一下子傾瀉在高地山坡、穀地斜麵、廢墟和土堤上，強大的轟鳴聲使大地發抖。
我們頭頂上熱浪滾滾，濃煙彌漫，一縷黎明的曙光穿過煙霧將一片被炸翻的荒地照亮。
“大炮不斷向蘇軍陣地發射，一發發炮彈拔地而起，那裏不可能再有什麼生命了。若事態就此發展下去，工兵們可以徑直向前，並一舉輕取這塊土地。大局似乎已定。重炮仍在怒吼，蔚藍的天空中帶有納粹標記的轟炸機迎著冉冉升起的太陽一隊接一隊地疾飛而去，它們呼嘯著向下俯衝，把炸彈投向各個目標。”
德國人就要占領俄國人的前沿陣地了！突然，一陣疾風射擊將他們打倒在地，又有幾發機槍點射從左翼打過來。原來，我們認為已被消滅的俄國步兵又活躍在彈坑和發射點，我們不敢相信這是真的，但我們親眼看見了蘇聯士兵的鋼盔。難道經過一場迅猛的炮擊和俯衝轟炸機密集的掃射後，這裏還會有有生力量堅守的防禦嗎？然而，每時每刻都看到這樣的事實，我們正在進攻的士兵一倒在地上就再也無法站起來，步槍、自動步槍從他們手中掉下了！
我們的部隊補充了兵力，又繼續攻擊，最後終於突破了蘇軍防線，且把它們截成了幾段。我們的大炮、迫擊炮在進行攔阻射擊，致使蘇軍預備隊無法調集上來，戰鬥的勝利似乎屬於德國人了。
形勢突然發生了變化。隻見一個士兵跳過長溝，這是一個德國兵，他在向後跑。噢，一定是送情報的通信員。不對！怎麼他後麵還跟著一個、二個、三個，而且全往後跑去。還有幾個士兵跟在後麵跑，看來，我們的人正在撤退！這時應讓各營主力參戰，然而卻沒有這樣做！
兩三分鍾後，蘇聯士兵已近在眼前。隻見他們漸漸靠攏，分成小組，緊緊追擊倉皇退卻的德國士兵，可5個營的工兵在哪兒呢？難道現在退下來的就是全部人馬？就剩這麼多了嗎？
俄國人正在向出發陣地靠近，像清晨一樣，他們遭到了猛烈的炮擊。步兵團又開始行動了，阻止了蘇軍向前推進，進攻隻在個別地段還在繼續，而這裏的防線十分堅固，毫無進展！一切又都一如既往，像衝擊之前、像昨天、像一個星期以前一樣！真是莫名其妙！莫非是我在做夢？明明是新調來的5個營在攻擊、在戰鬥，如同在練兵場上。而結局如何？多數人陣亡，部分人受傷，其餘被打散、被擊潰！這真是一個鬼地方，無論你怎樣設法占領它，結果總是碰得頭破血流！
在斯大林格勒地區進行的會戰中，戰役間歇都很短，戰鬥總是持續不斷，時而緊張激烈，時而又有所平息，但從未停止過。德軍發起衝擊達700多次，蘇軍各部隊、分隊一邊防禦，一邊利用一切可能的時機實施反突擊。
在整個會戰期間，交戰雙方的炮兵、航空兵和坦克兵的活動十分頻繁。在城市防禦的68天內，除自行大炮、坦克和小口徑炮發射的炮彈外，德炮兵還發射了90萬發大炮和迫擊炮炮彈。為占有製空權，德軍航空兵對蘇軍進行了瘋狂轟炸，每天大約有1000～1500架次，甚至有2500架次的飛機實施攻擊。斯大林格勒方麵軍的每平方公裏上敵人消耗的各類炮彈和炸彈平均達7.6萬多枚。而蘇軍炮兵和航空兵在這期間一共用了10萬發炮彈、炸彈，主要是對敵主要方向實施炮擊和轟擊。
11月中旬，德軍在斯大林格勒市區內的推進全線停止，行動也受到了限製。他們被迫轉入防禦，德軍主要突擊集團已失去戰鬥力，然而城市保衛者的力量卻不斷壯大。
盡管德軍統帥部下達了無比堅決的命令，但是，進攻斯大林格勒的德軍集團仍然無力衝破蘇軍的防禦。
到1942年11月18日，斯大林格勒會戰的防禦共持續4個月。德軍先後調來50多個師的兵力，但始終未能實現其戰略企圖。德軍在進攻斯大林格勒的作戰中遭受了巨大損失，死傷近70萬人，損失大炮和迫擊炮2000多門、坦克和強擊炮1000多輛、戰鬥機和運輸機1400多架。
德軍完全被蘇軍鉗製在斯大林格勒城下，陷入被蘇軍半包圍的態勢。
在這種形勢下，蘇軍已悄悄地完成大反攻的準備。