Stalingradin taistelu
Itsevarmuus oli huipussaan Hitlerin päämajassa, kun saksalaiset ja romanialaiset joukot saavuttivat elokuun puolivälissä Stalingradin laitamat ja työntyivät pohjoisessa aina Volgalle asti. Siellä oltiin varmoja, että kaupunki olisi saksalaisten hallussa muutamassa päivässä, korkeintaan viikoissa. Paulus aloitti 19. elokuuta suurhyökkäyksen kaupunkiin yhdessä 4. panssariarmeijan muutamien yksiköiden kanssa. Kenraali (sittemmin sotamarsalkka) Wolfram von Richthofenin johtamat Saksan Etelä-venäjän ilmavoimat lähetti 600 pommikonetta tuhoamaan kaupungin. Päätös olla evakuoimatta kaupunkia, jotta vältyttäisiin suurelta pakolaisvirralta, johti neuvostolaskelmien mukaan 40 000 kuolonuhriin. Tykistön ja ilmavoimien rajut pommitukset ajoivat neuvostoliittolaisia puolustajia kohti Volgaa.
Paulus käski 7. syyskuuta aloittaa yhteishyökkäyksen neuvostojoukkojen painostamiseksi Volgan yli. Aluetta puolustavat kaksi armeijaa, numerot 62 ja 64, joutuivat eroon toisistaan, ja saksalaiset työntyivät eteenpäin kortteli korttelilta, tehdas tehtaalta. 62. armeijan komentaja, kenraali Lopatin, piti tilannetta toivottomana ja halusi vetäytyä. Hän sai potkut, ja hänen paikkansa annettiin nuorelle, yli-innokkaalle armeijankomentajalle nimeltä Vasili Tšuikov. Hän saapui samana päivänä kuin saksalaisten hyökkäys alkoi, 7. syyskuuta, ja löysi kaupungin raunioina. Puna-armeija selviytyi hädin tuskin käyttämällä tuhottua kaupunkimaisemaa luonnollisina puolustusvarustuksina. Sotilaat piiloutuivat pieninä ryhminä kellareihin ja varastoihin, ampuivat saksalaisia soluttautujia takaapäin ja valtasivat pimeyden turvin takaisin rakennuksia, joista he
olivat päiväsaikaan vetäytyneet saksalaisten kiivaan tulituksen vuoksi. Saksalaiset onnistuivat syys- ja lokakuun aikana ajamaan 62. armeijan muutamaan tehdasrakennukseen, kuten Punainen lokakuu -terästehtaaseen, aivan joen rannassa. Paulus sen enempää kuin Tšuikovkaan eivät taistelleet täysin eristyksissä muista joukoistaan. Volgan yli virtasi huoltoa, ja alueen saksalaisilta tuli raketti- ja tykistötukea. Kaupungin molemmilla puolilla oli suuret joukko- osastot: kenraali Jeremenkon Stalingradin armeija oli etelässä, ja pohjoisessa odottivat kenraali Rokossovskin Don-joukot. Ne hyökkäsivät Saksan armeijan sivustoja vastaan, ja suuri määrä neuvostokoneita lensi niiden yli ja haastoi Saksan ilmaherruuden ensimmäisen kerran. Saksan joukot levitettiin pitkin Donin aroja, missä kallisarvoista käytävää Stalingradiin vartioivat unkarilaiset, italialaiset ja romanialaiset liittolaiset. Saksan neljäs ilma-armeija kohtasi taistelussa kiivasta vastarintaa, mutta jatkoi tukea maajoukoille ja haastoi samalla Neuvostoliiton ilmavoimia.
62. armeija puolusti kaupunkia suurella päättäväisyydellä. On kuitenkin arveltu sen johtuneen pelosta selustassa olevia Neuvostoliiton turvallisuusjoukkoja kohtaan. Kaikki karkurit ja antautujat joko ammuttiin tai lähetettiin pakkotyöhön. Kaikkiaan arvioidaan omien ampuneen noin 13 500 miestä. Neuvostopäiväkirjat kertovat vain 203 pidätyksestä "paniikin" vuoksi marraskuusta 1942 helmikuuhun 1943; tämä on kaikkien Stalingradia puolustaneiden neuvostoarmeijoiden luku. Silminnäkijät kertovat toisenlaista tarinaa: Neuvostoliiton puolustajat olivat vihdoin löytäneet asian, johon identifioitua, ja sotilaallisen haasteen, joka antoi merkitystä. Venäläinen kirjailija Viktor Nekrasov, joka palveli Stalingradissa aliupseerina, havaitsi että taistelu toi esiin "fantastisen karkaistuja sotilaita". Saksan sotilaat taistelivat myös huomattavalla sitkeydellä ja epätoivolla. Kaupunkisodasta tuli suljettu, väkivaltainen mikrokosmos suuresta taistelusta sen ympärillä.
Joulukuun 9. päivänä saksalaisten onnistui vihdoin iskeä 500 m pituinen aukko Tšuikovin puolustukseen ja päästä Volgalle. Neuvostojoukkojen ei onnistunut karkottaa heitä, mutta saksalaiset olivat uupuneita, ja 12. marraskuuta pidettiin tauko. Tšuikov sai kuusi päivää myöhemmin päämajasta salakirjoituskäskyn valmistautua erikoiskäskyyn. Marraskuun 19. päivän aamuna Tšuikov sai tietää, että massiivinen vastahyökkäys oli juuri käynnistynyt. Sen tarkoitus oli motittaa Pauluksen 6. armeija.