A batalha por Stalingrado começou com o pesado bombardeio da cidade pela Luftflotte 4 do general Wolfram von Richthofen, que no verão e outono de 1942 era a formação de ar mais poderosa do mundo. Cerca de 1.000 toneladas de bombas foram lançadas em 48 horas, mais do que em Londres no auge da Blitzkrieg. Stalin apressou o envio de todas as tropas disponíveis para a margem leste do rio Volga, algumas de lugares tão distantes quanto a Sibéria. Um grande ataque aéreo alemão em 23 de agosto causou uma tempestade de fogo, matando centenas e transformando Stalingrado em uma vasta paisagem de escombros e ruínas queimadas. A Força Aérea Soviética, a Voyenno-Vozdushnye Sily (VVS), foi contida pela Luftwaffe. A luta dentro da cidade em ruínas era feroz e desesperada. Embora inicialmente bem-sucedidos, os ataques alemães pararam diante dos reforços soviéticos trazidos do outro lado do Volga. A 13ª Divisão de Rifles de Guardas soviética, designada para contra-atacar na colina Mamayev Kurgan e na Estação Ferroviária Nº1, sofreu perdas particularmente altas. Ambos os objetivos foram retomados, mas apenas temporariamente. A estação ferroviária mudou de mãos 14 vezes em seis horas. Nos gigantescos silos de grãos no sul da cidade, a batalha durou três dias. Cerca de cinquenta defensores do Exército Vermelho, sem reabastecimento, mantiveram a posição por cinco dias e lutaram contra dez ataques diferentes antes de ficarem sem munição e água. Em sua retirada, queimaram grandes quantidades de grãos para negar comida ao inimigo. A doutrina militar alemã baseava-se no princípio de equipes de armas combinadas e estreita cooperação entre tanques, infantaria, engenheiros, artilharia e aeronaves de ataque ao solo. Alguns comandantes soviéticos adotaram a tática de sempre manter suas posições na linha de frente o mais próximo possível dos alemães e isso desacelerou o avanço alemão e reduziu a eficácia da vantagem alemã em apoiar o fogo.

O Exército Vermelho gradualmente adotou uma estratégia de manter o maior tempo possível todo o território da cidade. Assim, eles converteram blocos de apartamentos de vários andares, fábricas, armazéns, residências de esquina e edifícios de escritórios em uma série de pontos fortes bem defendidos com pequenas unidades de 5 a 10 homens. Lutas amargas ocorreram por cada ruína, rua, fábrica, casa, porão e escada, onde até os esgotos eram locais de tiroteios. Os alemães chamaram essa guerra urbana invisível de Rattenkrieg ("Guerra dos Ratos"). Em outra parte da cidade, um pelotão soviético sob o comando do sargento Yakov Pavlov fortificou um prédio de quatro andares a 300 metros da margem do rio, mais tarde chamado de "Casa de Pavlov". Os soldados o cercaram com campos minados, posicionaram as metralhadoras nas janelas e derrubaram as paredes do porão para melhorar as comunicações. Eles não tiveram descanso ou mesmo reforços por dois meses e o edifício foi rotulado de Festung ("Fortaleza") nos mapas alemães. Os alemães fizeram um progresso lento, mas constante, pela cidade. As posições foram tomadas individualmente, mas os alemães nunca foram capazes de capturar os principais pontos de passagem ao longo da margem do rio. Em 27 de setembro, os alemães ocuparam a parte sul da cidade, mas os soviéticos dominavam o centro e a parte norte. Mais importante, os russos controlavam as balsas para seus suprimentos na margem leste do Volga.

Os atiradores de elite (snipers) de ambos os lados usaram as ruínas para infligir baixas. O atirador soviético mais famoso em Stalingrado foi Vasily Zaytsev (eternizado no filme "Círculo de Fogo", de 2001), com 225 mortes confirmadas. Muitas mulheres lutaram no lado soviético e no início da batalha, cerca 75.000 mulheres e adolescentes haviam concluído o treinamento militar ou médico, para contribuir com o esforço de guerra. Embora as mulheres geralmente não fossem treinadas como infantaria, muitas soviéticas lutaram como metralhadoras, operadoras de morteiros e snipers. Para Stalin e Hitler, a cidade de Stalingrado tornou-se uma questão de prestígio muito além de sua importância estratégica. O comando soviético transferiu unidades da reserva estratégica do Exército Vermelho na área de Moscou para o baixo Volga e transferiu aeronaves de todo o país para a região. Depois de 27 de setembro, grande parte dos combates na cidade mudou para o norte, para o distrito industrial. Tendo avançado lentamente mais de 10 dias contra a forte resistência soviética, o 51º Corpo de Exército alemão estava finalmente em frente às três fábricas gigantes de Stalingrado: a Fábrica de Aço Outubro Vermelho, a Fábrica de Armas Barrikady e a Fábrica de Trator de Stalingrado. A defesa do setor estava a cargo das tropas do 62º Exército soviético. Somente os combates dentro da Fábrica Barrikady duraram até o final de outubro. Após três meses de avanço lento, os alemães finalmente alcançaram as margens do rio, capturando 90% da cidade em ruínas e dividindo o restante das forças soviéticas em dois bolsões estreitos. Os blocos de gelo no Volga agora impediam que barcos e rebocadores abastecessem os defensores soviéticos. No entanto, a luta continuou, especialmente nas encostas da colina Mamayev Kurgan e dentro da área da fábrica na parte norte da cidade, e em menos de um mês o 6º Exército alemão perdeu 60.548 homens, incluindo 12.782 mortos, 45.545 feridos e 2.221 desaparecidos. Reconhecendo que as tropas alemãs estavam mal preparadas para operações ofensivas durante o inverno de 1942, e que a maioria delas foram realocadas em outro lugar no setor sul da Frente Oriental, o Alto Comando soviético (Stavka) decidiu realizar uma série de operações ofensivas entre novembro de 1942 e fevereiro de 1943, que envolveu cerca de quinze Exércitos operando em várias frentes. Em 19 de novembro de 1942, o Exército Vermelho lançou a "Operação Urano".

A resposta da Wehrmacht (Exército Alemão) foi caótica e indecisa. O mau tempo impediu uma ação aérea eficaz contra a ofensiva soviética e o Grupo de Exércitos B estava desordenado, enfrentando forte pressão em todas as suas frentes. Em 20 de novembro, uma segunda ofensiva soviética com dois Exércitos foi lançada ao sul de Stalingrado e em alguns dias as forças soviéticas rumaram para o oeste e se encontraram na cidade de Kalach, fechando um círculo em torno da cidade. Dos 210.000 alemães, 105.000 se renderam e 60.000 morreram. O Exército Vermelho manteve a iniciativa e a Wehrmacht bateu em retirada. O 6º Exército deixou de existir e as forças aliadas a ele foram destruídas. Stalingrado foi descrita como a maior derrota da história do Exército Alemão. A destruição de um Exército inteiro (o maior número de soldados do Eixo mortos, capturados e feridos, foi de quase 1 milhão) e a frustração da grande estratégia da Alemanha Nazista tornaram a batalha um divisor de águas, não só na Frente Oriental como para a Segunda Guerra. O soldado na ilustração, lutando em meio as ruínas da cidade, usa um uniforme de inverno, no caso composto de uma jaqueta acolchoada (conhecida por telogreika, com forro de algodão e costurada em tiras), calças de lã e botas altas de couro, típico da maioria das tropas soviéticas durante o conflito. O capacete de aço é do modelo M40 e além da sacola M41, com seus pertences, ele leva um cobertor de lã enrolado sobre seu ombro. A bolsa de lona lateral é para a munição extra de sua metralhadora PPSH-41, calibre 7.62mm, com carregador de 71 cartuchos em um pente redondo e as granadas a seus pés são do modelo RG-33, antipessoais de fragmentação. A frase na parede diz "Nem um passo para trás!", refletindo a determinação com que os russos defenderiam seu território.

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