Однако к моменту прибытия нового командующего положение 62-й армии было отнюдь не блестящим.
14 сентября немцы захватили пункт, господствующий над всем городом, — Мамаев курган (высота 192).
15 сентября 6-я армия Ф.Паулюса и 4-я танковая армия Г.Гота соединились в районе реки Царица. С этого момента за весь ход операций в городе стало отвечать командование 6-й армии. XXXXVIII танковый корпус был передан в армию Ф.Паулюса. Соответственно 4-я танковая армия получила задачу очистить от советских войск западный берег Волги южнее Сталинграда.
Одновременно перешли в наступление войска, нажим которых на VIII и XIV корпуса обеспечивал успешное ведение обороны в Сталинграде. Во исполнение указаний Верховного Главнокомандующего «немедленно ударить по противнику и прийти на помощь сталинградцам» войска левого крыла Сталинградского фронта силами 24-й, 1-й гвардейской и 66-й армий в течение сентября провели две наступательные операции. Их задачей был разгром прорвавшейся к Волге группировки противника и соединение с 62-й армией. В октябре за ними последовала еще одна наступательная операция.
Для атаки Сталинграда с севера 6-я немецкая армия в начале сентября практически могла выделить только LI армейский корпус. Несмотря на все сложности с переправой войск на правый берег Волги, в 62-ю армию поступали резервы. В течение двух ночей 15 и 16 сентября в Сталинград переправилась 13-я гвардейская стрелковая дивизия А.И.Родимцева. Она восстановила силы после ударов «Блау» в июне и июле и стала сильным аргументом в борьбе за Сталинград. Совместно с 137-й танковой бригадой (12 танков Т-60, более тяжелые машины было почти невозможно переправить через Волгу) дивизия А.И.Родицева смогла контратакой вернуть позиции в районе Мамаева кургана и обеспечила прочную оборону одного из двух сталинградских вокзалов.
На южную окраину города и на Бекетовку (южный пригород Сталинграда) наступал XXXXVIII танковый корпус. На 18 сентября 1942 г. в 24-й танковой дивизии корпуса Гейма насчитывалось всего 22 боеготовых танка. Бои в Сталинграде приняли затяжной характер. Уже 20 сентября Ф.Гальдер, оценивая военные действия под Сталинградом, вынужден был признать, что «все больше и больше ощущается постепенное истощение наступающих войск».
18 сентября также состоялась вторая наступательная операция войск Сталинградского фронта. Основные силы фронта теперь концентрировались на его левом крыле. На правом крыле 63, 21 -я и 4-я танковая армии обороняли фронт в 480 км. На левом крыле на фронте прорыва шириной в 24 км концентрировались две армии — 1-я гвардейская и 24-я. Первая была построена на фронте 18 км в три эшелона: первый эшелон — пять стрелковых дивизий, танковый корпус, три танковые бригады и все средства усиления; второй эшелон — три стрелковые дивизии, один танковый корпус; третий эшелон — одна стрелковая дивизия и один танковый корпус (в резерве командующего армией). Вторая была построена на фронте 6 км в два эшелона: первый эшелон — две стрелковые дивизии, две танковые бригады, все средства усиления; второй эшелон — две стрелковые дивизии. 66-я армия тремя дивизиями прикрывала фланг 24-й армии.
Обстановка в полосе наступления 1-й гвардейской и 24-й армий напоминала Западный фронт времен Первой мировой войны, когда на сравнительно узком пространстве были собраны крупные массы войск. Несмотря на большую протяженность фронта группы армий «Б» и советских войск на сталинградском направлении 35-километровый отрезок между Доном и Волгой стал филиалом плотного позиционного фронта. Здесь Красная Армия прошла по тем же граблям, по которым ходила французская армия в 1915—1916 гг. Пехота ожидала от артиллерии и танков полного подавления системы огня, своего оружия не использовала и не была достаточно обучена. Поэтому начавшееся наступление к 26 сентября привело лишь к незначительному тактическому успеху. Основным эффектом было удержание фронтом на север (с учетом XVII корпуса против 21-й армии) более чем половины войск армии Паулюса.
Тем временем на фронт под Сталинградом прибыл еще один прославленный советский военачальник — К.К.Рокоссовский. 30 сентября 1942 г. он возглавил Донской фронт, образованный путем переименования Сталинградского фронта. Теперь К.К.Рокоссовский должен был организовать наступление на северный фланг 6-й армии 1-й гвардейской, 24-й и 66-й армий.
Нажим с севера на группировку немцев под Сталинградом становился все более актуальным. До 26 сентября боевые действия шли в основном за центральную и южную части города. На отдельных участках фронта немецким войскам удалось выйти к Волге. С 27 сентября по 4 октября развернулись напряженные бои за заводские поселки «Красный Октябрь» и «Баррикады». 4 октября начались бои непосредственно за эти заводы. Войска 62-й армии вели бои в исключительно тяжелых условиях. При фронте протяженностью 25 км глубина оборонительной полосы армии составляла всего от 200—300 м до 2,5 км. Маневр из глубины был невозможен из-за отсутствия постоянных переправ через Волгу, а маневр по фронту мог осуществляться только по узкой прибрежной полосе и лишь в ночное время, так как вся глубина простреливалась всеми видами огня противника. В ночь с 26 на 27 сентября остатки разбитых 42-й и 92-й стрелковых бригад отступили на левый берег Волги, в район Красной Слободы. Достаточно было войскам Сталинградского фронта ослабить нажим на XIV корпус Хубе, как встречными ударами 60-я моторизованной и 100-й легкопехотной дивизии были окружены к западу от СТЗ в районе Орловки 115-я стрелковая и 2-я мотострелковая бригады.
В конце сентября также были произведены перемещения войск в группе армий «Б» на сталинградском направлении. В целях освобождения сил 6-й немецкой армии для удара на Сталинград по указанию Гитлера на среднее течение Дона спешно выдвигалась 3-я румынская армия, которая в конце сентября заняла для обороны рубеж по южному берегу Дона от Еланской до Клетской. Подход 3-й румынской армии позволил командованию 6-й немецкой армии заменить румынами XVII армейский корпус и бросить на Сталинград две пехотные дивизии (изъятые из VIII армейского корпуса).
Благодаря этим перемещениям 14 октября началась самая большая в то время операция 6-й армии против защитников Сталинграда. В ней были задействованы 14-я танковая дивизия и снятые с участка обороны VIII корпуса 305-я и 389-я пехотные дивизии. Целью операции был СТЗ. Наступление поддерживал в полном составе VIII авиакорпус Рихтгоффена. Однако продвинуться удалось только на 2 км.
Дело в том, что советское командование тоже произвело перемещения войск. Во-первых, в ночь на 5 октября были переправлены через Волгу части 37-й гвардейской стрелковой дивизии, переброшенной из 4-й танковой армии В.Д.Крюченкина. Во-вторых, 138-я стрелковая дивизия И.И.Людникова в начале октября 1942 г. была рокирована из 64-й армии в 62-ю. 14 октября дивизия еще находилась на левом берегу Волги. Вечером 16 октября она была с помощью барж переправлена в Сталинград и вступила в бой в районе завода «Баррикады».
В отсутствие нажима с севера активизировался XIV корпус Хубе. С утра 15 октября было проведено наступление, которое привело к окружению севернее СТЗ так называемой группы Горохова (115, 124, 149-й стрелковых, 2-й мотострелковой бригады, частей 112-й стрелковой дивизии и 10-й дивизии НКВД). Численность группы Горохова составляла около 6500 человек. Ударами 389-й и 94-й пехотных дивизий с юга и 16-й танковой дивизии с севера группа была окружена и длительное время вела бои в окружении.
Осложнение обстановки вновь потребовало проведения наступления силами Донского фронта. В течение 20—25 октября была предпринята еще одна безуспешная попытка прорваться к Сталинграду с севера. На этот раз были задействованы войска 66-й армии, во главе которой А.С.Жадов сменил Р.Я.Малиновского. Неудачи наступления начальник штаба фронта генерал-майор М.С.Малинин объяснял в записанных НКВД разговорах в штабе следующим образом: