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。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。

双方部队的指挥官都承受着巨大的压力。德军的指挥官保卢斯得了眼部肌肉痉挛的疾病，而崔可夫也在不见日光的地下室司令部也忍受着湿疹的病痛，以至于不得不将自己双手完全包扎起来。

此时，德军在苏联南部的战线是从库尔斯克和沃罗涅日起，通过斯大林格勒到莫兹多克，长达1250英里以上。再加上从库尔斯克到列宁格勒之间的800英里，德军在苏联的战线全长已在2000英里以上，而以德国的兵力和资源，根本就不足以维持如此长的战线。特别危险的是，从斯大林格勒沿顿河上溯至沃罗涅日共长350英里，竟毫无掩护。德国自己腾不出兵力来填补这个缺口，只得在这一线部署了附庸国的3个集团军：匈牙利第2集团军在沃罗涅日南面;意大利第8集团军在东南面更远一些的位置;罗马利亚第3集团军在斯大林格勒正西、顿河湾曲部的右侧。这使得战线拉得非常狭长，甚至在有些地段，只有一个野战排来防守整整1-2公里的防线。而苏军在伏尔加河南岸保留了几个攻击点，这对德军构成了潜在的威胁。希特勒并非不知道这些装备和战斗力都极差的附庸国部队是不足以担负这个任务的，但他却深信只要能迅速攻克斯大林格勒，则即可抽出足够的兵力。德国陆军参谋总长弗朗兹·哈尔德表示了忧虑和异议，认为斯大林格勒是不可陷入的，力主放弃这个作战，并向西撤退。结果，希特勒便在9月底免去了哈尔德陆军总参谋长的职务，任命原驻法国的德军总司令库尔特·蔡茨勒(Kurt Zeitzler)上将为新一任陆军总参谋长。

9月28日，苏军最高统帅部决定将斯大林格勒方面军改称顿河方面军，司令员为罗科索夫斯基中将;东南方面军改称斯大林格勒方面军，司令员为叶廖缅科上将;近卫第1集团军扩建为西南方面军，司令员瓦杜丁中将(Nikolai Vatutin)。副最高统帅朱可夫大将和总参谋长华西列夫斯基上将奉命秘密拟制反攻计划。

10月份一个月中，斯大林格勒一直进行着激烈的巷战。德军逐屋战斗，从地面和地下的废墟中找路前进，所以也被称为“老鼠战争”(德语：Rattenkrieg)，甚至开玩笑说“即使我们占领了厨房，仍然需要在客厅进行战斗。”对斯大林来说，是决不能让这座以自己名字命名的城市落入德军之手的。他亲自下令叶廖缅科上将，要求在任何情况下都要坚守该城。每一座房屋，只要有苏联军人，哪怕只有一个人，也要成为敌人攻不破的堡垒。而对希特勒来说，斯大林格勒的精神价值已超过了其战略价值，非要攻陷它不可，当新任陆军总参谋长蔡茨勒将军小心地向他指出第6集团军北翼漫长的顿河战线面临着危险，建议将第6集团军撤到顿河河曲。希特勒严厉地回答说：“德国士兵到了哪里，就要守到哪里!”

经过3个月血腥的战斗至11月初，德军终于缓慢地推进到了伏尔加河岸，并且占领了整座城市的80%地区，将留守的苏联军队分割成两个狭长的口袋状，德军始终未能完全占领斯大林格勒。此外，伏尔加河开始结冰，导致苏联不能再通过船运送补给品给城中守军。尽管如此，马马耶夫高地附近的战斗和北部城区的工厂地带的战斗依然非常激烈。其中， 红色十月工厂、 拖拉机厂和街垒工厂的战斗为全世界所知晓。当苏联士兵与德军进行枪战的同时，工厂内的工人就在侧旁修复损坏的坦克和其它武器，有的时候甚至就直接在战场上修理武器。坦克由工厂的工人志愿兵驾驶。这些坦克往往直接从兵工厂的生产线上开到了战斗前线，甚至来不及涂上油漆和安装射击瞄准镜。

11月11日，德军以5个步兵师、2个装甲师和2个工兵营在宽5公里的正面上发起强攻。战斗队形高度密集。一天之内，苏德两军为争夺每寸土地、每一座房屋，都进行了异常激烈的战斗，双方伤亡惨重。德军虽然在街垒工厂以南冲到达了伏尔加河岸，但部队已疲惫不堪，其攻势已成强弩之末，保卢斯被迫于次日停止了进攻，修整部队。苏军的损失同样严重，第62集团军的两个师损失了75%的兵员。

根据苏联方面统计，从7月到11月的战斗中，德军在顿河、伏尔加河和斯大林格勒的战斗中损失约70万人，1000余辆坦克，2000多门火炮，1400余架飞机。

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