С 13 по 26 сентября противник сумел потеснить соединения и части 62-й армии и ворваться в центр города, а на стыке двух армий — 62-й и 64-й — выйти к Волге. Но овладеть всем берегом Волги в районе Сталинграда врагу не удалось. Особенно упорные бои развернулись за овладение вокзалом, который 13 раз переходил из рук в руки.
Ставка ВГК постоянно подкрепляла оборонявшиеся войска резервами из глубины страны. Так, только с 23 июля по 1 октября на Сталинградское направление прибыло 55 стрелковых дивизий, 9 стрелковых бригад, 7 танковых корпусов и 30 танковых бригад.
В связи с возросшим составом фронтов и большой протяженностью их полос Ставка ВГК 28 сентября упразднила единое командование Юго-Восточного и Сталинградского фронтов и переименовала Сталинградский фронт в Донской (командующий — генерал-лейтенант К. К. Рокоссовский), а Юго-Восточный — в Сталинградский (командующий — генерал-полковник А. И. Еременко).
Второй штурм Сталинграда враг предпринял с 28 сентября по 8 октября. Немецкое верховное командование категорически требовало от Паулюса взять Сталинград любой ценой и в самые ближайшие дни. Гитлер, выступая в рейхстаге 30 сентября 1942 г., заявил: «Мы штурмуем Сталинград и возьмем его — на это вы можете положиться… Если мы что-нибудь заняли, оттуда нас не сдвинуть».
Сражение под стенами Сталинграда развертывалось с неослабевающей силой. С 27 сентября по 4 октября происходили упорные бои на северных окраинах города за рабочие поселки Красный Октябрь и Баррикады. Одновременно враг вел наступление в центре города в районе Мамаева кургана (ему удалось закрепиться на западном склоне) и на правом фланге 62-й армии в районе Орловки. Темпы продвижения немецких частей в течение дня составляли от 100 до 300 м.
В первые дни октября 1942 г. соединения и части 62-й армии занимали оборону вдоль правого берега Волги в полосе шириной 25 км. При этом удаление переднего края от воды составляло на отдельных участках не более 200 м. Хотя в руках противника уже находилась территория пяти районов города из семи, ему так и не удалось овладеть центральной набережной с переправами, через которые в город поступали войска, вооружение, продовольствие, топливо и отправлялись раненые.
Германское верховное командование было крайне недовольно действиями 6-й армии в Сталинграде и торопило ее командующего как можно быстрее захватить весь город. В течение первой половины октября оно перебросило из Германии дополнительные силы для усиления 6-й армии: 200 тысяч пополнения, 30 артиллерийских дивизионов (около 1000 орудий), 40 инженерно-штурмовых батальонов, предназначенных для штурма города и ведения уличных боев. Над соединениями 62-й армии превосходство было создано в силах и средствах до 4–5 раз.
Третий, самый ожесточенный, с применением большого количества огневых средств штурм города начался 14 октября. Соединения и части 62-й армии, даже разделенные друг от друга противником, продолжали оборонять полосу, вытянутую вдоль набережной Волги. 138-я стрелковая дивизия (командир дивизии — полковник И. И. Людников), отрезанная от главных сил армии, удерживала полосу вдоль берега по фронту 700 м и в глубину 400 м. В составе дивизии было всего 500 человек личного состава.
У всего личного состава — от солдата до генерала — было одно желание — уничтожить врага, посягнувшего на свободу и независимость Родины. Девизом для всех советских воинов стали слова снайпера В. Г. Зайцева: «Для нас, бойцов и командиров 62-й армии, за Волгой земли нет. Мы стояли и будем стоять насмерть!» По окончании Сталинградской битвы В. Г. Зайцеву будет присвоено звание Героя Советского Союза.
Целый месяц шли напряженные бои на всем протяжении полосы обороны 62-й и 64-й армий, но противнику так и не удалось прорвать оборону советских войск. Он лишь на отдельных участках, продвинувшись на несколько сот метров, вышел к Волге. Немецкие войска, понеся большие потери, несмотря на значительный перевес в силах и огневых средствах, так и не сумели овладеть всем городом, в том числе его прибрежной частью.
Однако Гитлер и его окружение, не желая считаться с очевидным провалом своих планов захвата Сталинграда, продолжали категорически требовать от войск нового наступления.
Четвертый штурм Сталинграда начался 11 ноября. В бой против 62-й армии были брошены пять пехотных и две танковые дивизии. Положение и состояние 62-й армии было крайне тяжелым. В ее составе насчитывалось: личного состава — 47 тысяч человек, около 800 орудий и минометов и 19 танков. К этому времени полоса ее обороны была расчленена на три части.