有13个师，17万多人。而苏军斯大林格勒方面军和东南方面军虽有120个师，但人员缺额严重，实际防守斯大林格勒的是第62和64集团军，共有9万余人，1000余门火炮，120辆坦克。
9月13日，德军开始攻城。而在此之前，德军ju88式轰炸机用燃烧弹将市区炸成废墟，伏尔加河沿岸对斯大林格勒的水路增援也受到影响。保卢斯第6集团军担当主力，从城北实施猛烈突击。霍特第4装甲集团军则从城南推进，策应保卢斯在城北的主攻。苏军崔可夫中将指挥的第62集团军和舒米洛夫少将指挥的第64集团军受领了保卫斯大林格勒市区的任务。
14日，德军从城北突入市区，与苏第62集团军展开了激烈的巷战，双方逐街逐楼逐屋反复争夺。斯大林格勒变成了一片瓦砾场，城中80%的居住区被摧毁。在满是瓦砾和废墟的城中，苏联第62集团军顽强抵抗，在城中的每条街道，每座楼房，每家工厂内都发生了激烈的枪战。攻入城中的德军死伤人数不断增加。尽管德军对伏尔加河东岸进行频繁的轰炸，但是苏军还是从那里得到了不断的补给和支持。刚刚赶赴城中的红军战士的平均存活时间不超过24个小时，军官也只有约三天的平均存活时间。德军的主要战术是各兵种联合作战，非常重视步兵、工程部队、炮兵和空军的地面轰炸的协调。为了对抗这种战术，苏军指挥官采取了贴身紧逼的策略，尽量将己方的前线与德军贴近。这样导致了德军的炮兵部队无法发挥远程攻击的优点。
中华帝国志愿军飞虎队出动五十架a5夜间双座强击机投入对斯大林格勒战役的支援行动，给入城德军坦克以重大杀伤。同时。苏军当中的中械部队多配备有反坦克火箭筒和反坦克狙击步枪，这些在莫斯科保卫战中已经发挥了巨大的作用，此时同样被苏军拿来使用，效果亦非常明显。打退了德军坦克部队的多次进攻。
9月15日，德军对马马耶夫高地实施重点突击。该高地是斯大林格勒城中的制高点，从这里可以俯瞰和控制全城，崔可夫中将的第62集团军司令部即设在这里。经过一天最为残酷的战斗，德军占领了马马耶夫高地。
但在日晚上，中华帝国的a5夜间攻击机再次来袭，给德军以重创，随后苏近卫第13师渡过伏尔加河进入斯大林格勒。突然向德军发起反冲击，又夺回了该高地。
很多重要据点双方进行了反复争夺，第一火车站的争夺战达一周之久，德军不顾一切。一步步向市中心逼近。
9月25日，德军占领了市中心，27日冲进了北部工厂区，并重新占领了马马耶夫高地，但由于苏军在夜间有中华帝国志愿军的强大的a5对地攻击机的帮助。加上时不时的中华帝国空军瞅准机会就会来一次战略大空袭，摧毁在外围的德军补给物资，使得德军后继乏力，在29日阵地又被苏军夺回。
以后的战斗更加激烈。两方军队不断地交替占领这片高地。斯大林格勒工业区修建在丘陵中，建筑物用钢筋混凝土浇筑或用石头砌成。德军的推进不是用公里。而是用米来衡量。德第6集团军的一位叫汉斯？德尔的军官在《进军斯大林格勒》一书中写到：“敌我双方为争夺每一座房屋、车间、水塔、铁路路基，甚至为争夺一堵墙、一个地下室和每一堆瓦砾都展开了激烈的战斗。其激烈程度是前所未有的。”对火车站反复争夺达13次之多。在一个大粮食仓库里。两军的士兵非常接近，甚至能够听到对方的呼吸声，经过数个星期的苦战，德军不得不从这个仓库撤走。
在城中的另一个部分，由扬科夫?巴甫洛夫指挥的一个小分队（共计6人）占据了城中心的一座公寓楼，并顽强地进行抵抗。士兵们在大楼附近埋设了大量地雷，并在窗口安设了机枪，还将地下室的隔墙打通以便通讯。这座顽强的堡垒后来被苏联人骄傲地称为“巴甫洛夫大楼”
由于德军无法看到战斗结束的迹象，便开始调遣包括600毫米迫击炮等重装甲部队开入城内。然而在伏尔加河东岸的苏联火炮部队将德军置于其炮火笼罩之下。而城中的红军防御部队仍然利用废墟进行战斗。由于城内布满了高达数米的瓦砾堆和废弃建筑，德国的坦克部队毫无用武之地。
此外，苏联的中械部队的狙击手部队此时都已经在中华帝国特战队员的培训下结业，他们迅速加入了斯大林格勒战役，非常成功地利用废墟作为掩体，给德军造成了极大伤亡。最为成功的一名狙击手zikan到11月20日为止已经击毙了224个敌人。
对于斯大林和希特勒来说，斯大林格勒战役都是事关成败的关键一战。斯大林对这个以他的名字命名的城市非常重视，远比他重视莫斯科。而希特勒不想再失败一次了，上次莫斯科战役的失败已经让他非常恼火了。
苏军指挥部将战略重点从莫斯科转移到了伏尔加河地区，并且调动了全国所有的空中力量支持斯大林格勒。在9月底和10月初，苏军向斯大林格勒城区调去了6个步兵师和1个坦克旅。德军则调去了20万补充部队，包括90个炮兵营和40个受过攻城训练的工兵营。