与此同时，苏军最高统帅部和总参谋部也对当前的形势进行了详细系统的剖析，并于9月中旬得出结论：在不久的将来，形势将有可能发生根本性的好转。斯大林格勒附近的德军已无力进攻，实际上已被阻止。尤其重要的是，在苏联欧洲部分的纵深内，在西伯利亚和中亚已完成组建和训练最高统帅部预备队的工作，有可能将其调往斯大林格勒了。这些部队，尤其是坦克部队，是一支能够根本扭转斯大林格勒附近局势，使之对苏联有利的强大力量。此外，由于党政工作的加强，所有作战部队和预备队中无一例外地根除了第227号命令中所指出的无组织、无纪律现象。苏军防御的稳定性明显增强。部队士气日益高涨，指挥员的威信和一长制得到进一步加强。现在需要的是周密计划各个战役，并进行必要的物质准备，以及用一定时间在部队人员中进一步提高高昂的进攻锐气，树立歼灭敌人的决心并做好充分的准备。
9月12日，斯大林召集朱可夫和华西列夫斯基开会。斯大林和两个汇报人对斯大林格勒地域的作战结果都不满意。通过讨论，他们对斯大林格勒的形势得出一致的结论：“必须寻求另一种解决办法”。朱可夫和华西列夫斯基受命制定粉碎伏尔加河畔德军突击力量的战役企图。
9月13日整个夜晚，朱可夫和华西列夫斯基都是在斯大林格勒地域的地图旁度过的。他们为总参谋长提供了有关德军、苏军尤其是苏军预备队和向斯大林格勒方向集中的可能性和时限的参考材料。朱可夫和华西列夫斯基终于把标有战役企图的地图准备好了。斯大林同意了他们的意见，胜利的关键是在苏德战线的南翼实施决定性的反攻，并决定在斯大林格勒西北和以南德军第6集团军和坦克第4集团军的翼侧突破敌防御，合围和歼灭敌斯大林格勒集团。尔后，所有兵力向罗斯托夫总方向发展进攻。同时规定，在西方向上实施钳制性进攻战役。用以实施反攻的由斯大林格勒方面军、东南方面军和沃罗涅日东南新组建起来、尚未定名的方面军，以及伏尔加河区舰队、远程航空兵。各方面军都补充了一些最高统帅部预备队的兵团和军团，其中大多数是快速部队，尤其是坦克部队。朱可夫、华西列夫斯基，随后沃罗诺夫和沃罗热伊金，都作为最高统帅部代表奔赴前线，以便在各个部队现地进一步完善已有基本轮廓的战役企图。总参谋部有关人员与他们一同前往前线。
9月中旬起，苏联武装力量大反攻的企图和计划的制定工作，在苏军最高统帅部领导下，同时在最高统帅部、总参谋部和方面军分别进行。结果，经过最高统帅部、总参谋部和各方面军军事委员会的共同工作，制定出了当时情况下最佳的歼敌斯大林格勒集团的方法。这次围歼战，胜过著名的坎尼战。
根据苏联战略领导的决定，除了建立直接包围的正面外，还建立了防止敌人统帅部从外面突破以解救其被围部队的对外正面。在地图上详细规定了这个对外正面的轮廓；对它所需兵力进行了周密的计算；特别注意确定了可能行动的地区。苏军总参谋部所制定的对德军第6集团军的包围，只是苏军在斯大林格勒胜利的开端。主要的是苏军尔后在苏德战线的南翼深人发展粉碎敌军的各进攻战役。
9月13日、14日、15日，对斯大林格勒保卫者来说，是极其艰难的日子。市区争夺战异常残酷。当时，德军用在斯大林格勒方向的兵力有50多个师，其中13个师直接投入市区的战斗。斯大林格勒方面军虽已拥有6个集团军，但各个师都严重缺员，有的师甚至仅有800人。防守市区的苏军仅9万人，但是，苏军士气高昂，为保卫神圣的国土，个个视死如归。德军从南、北、西三面包围了斯大林格勒，苏军的陆上交通完全被切断，伏尔加河成为支援这次会战的惟一运输线。敌人不顾一切，一步步通过市内的废墟，愈来愈逼近伏尔加河。似乎斯大林格勒保卫者要支持不住了。但是，只要敌人一向前推进，苏军第62和第64集团军的英勇无畏的战士就加以阻击。市内古老建筑物的废墟变成了堡垒。然而，兵力却在每时每刻都在减少着。在艰巨而且看来似乎是最后一刻的时候，罗季姆采夫的近卫第13师起了转折作用。该师一渡过伏尔加河进入斯大林格勒后，立即就对敌人实施反冲击。该师的突击完全出乎敌人的意料之外。9月16日，近卫第13师夺回了马马耶夫岗。
戈洛瓦诺夫和鲁坚科指挥的航空兵的突击，以及斯大林格勒方面军部队由北面对德寇第8军各部队所进行的冲击和炮击，援助了斯大林格勒的保卫者。斯大林格勒方面军向第24、近卫第1和第66集团军的官兵、空军第16集团军和远程航空兵的飞行员不惜一切牺牲，对东南方面军的第62和第64集团军固守斯大林格勒，给予了无可估价的帮助。尤需指出的是，如果没有斯大林格勒方面军部队顽强的反突击，如果没有航空兵的不断攻击，那么，斯大林格勒的情况可能还会更加恶化。
从9月中旬起，斯大林格勒全市的街道和广场都变成了激烈的战场。苏军浴血奋战，为争夺每一个街区、每一幢房屋，甚至为每一层楼或每一个房间，都要展开反复的残酷的战斗。后来甚至为争夺废墟而战。第1火车站在1周之内曾13次易手，战斗的激烈程度可见一斑。保卢斯集团军的一位德军军官写道：“我们军的各个部队在9月份抗击敌人企图由北面突破我斜切阵地的猛烈冲击时，也遭受了惨重的损失。在这个地段上的各个师虚弱不堪，一个连一般只剩下30～40人。”
9月底，斯大林又把朱可夫召回莫斯科研究更具体的反攻计划。这时，在东南方面军左翼各集团军研究反攻条件的华西列夫斯基也回到了莫斯科。去最高统帅部以前，朱可夫和华西列夫斯基会了面，以便交换意见。
在讨论斯大林格勒方面军地段的情况时，斯大林向朱可夫问道：
“你对戈尔多夫将军的看法如何？”
“戈尔多夫在作战方面是一位成熟的将军，但与参谋人员及指挥人员有点不和。”朱可夫汇报说。
“在这种情况下，应当任命另一位司令员担任方面军的领导。你看谁适合？”斯大林说。
朱可夫提名罗科索夫斯基中将为这个职务的候选人。华西列夫斯基支持朱可夫的意见。于是，当时斯大林做出决定：斯大林格勒方面军改称顿河方面军，东南方面军改称斯大林格勒方面军。顿河方面军司令员由罗科索夫斯基担任，其参谋长由马利宁担任。新组建的西南方面军司令员预定由瓦图京中将担任。决定以近卫第1集团军司令部为基本核心扩建成西南方面军司令部。该集团军司令员莫斯卡连科调任第40集团军司令员。
接着，斯大林、朱可夫和华西列夫斯基详细讨论了反攻战役的计划。之后，斯大林转过头来对朱可夫说：
“请飞回前线去。要采取各种措施，更多地消耗和疲惫敌人。要再去看一看计划中规定的预备队集中地域和西南方面军及斯大林格勒方面军右翼的出发地域，尤其在谢拉莫菲维奇和克得列茨卡亚地域。华西列夫斯基也应以同样的目的再去一次东南方面军的左翼，并在那里研究计划中规定的所有问题。”
朱可夫和华西列夫斯基奉命在现地详细研究了准备反攻的所有条件后，回到最高统帅部，再一次讨论了反攻计划。斯大林随即批准了这一计划。反攻计划由朱可夫和华西列夫斯基签署，最高统帅斯大林签字批准。
“不要暴露我们计划的企图，应该征询各方面军司令员对他们以后行动的意见。”
10月1日朱可夫返回莫斯科，进一步拟定反攻计划。
10月份，根据苏军最高统帅部的决定，有6个以上满员Ｂ的师经伏尔加河调入斯大林格勒，因为原第62集团军编制内，除后勤和司令部门外，实际上什么部队也没有了。顿河方面军也得到了一些加强。苏军最高统帅部和总参谋部对新组建的西南方面军尤为关注。
在斯大林格勒市内和附近地区，最激烈的交战正在继续进行。希特勒要求其“Ｂ”集团军群指挥官和第6集团军司令保卢斯于最近期间拿下斯大林格勒。按德国国防军参谋总长哈尔德的说法，“希特勒的决定与自古以来公认的战略、战术原则不再有共同之处。他的决定是一种狂暴的天性在一时冲动下的产物，这种天性不承认可能性是有限度的，而只凭愿望和梦想行事……”希特勒总是“对自己的力量病态地估计过高，对敌人力量有害地估计过低”，而且根本听不得不同意见。有一次，有人把一场非常客观的报告念给他听。报告上说，斯大林于1942年在斯大林格勒以北、伏尔加河以西地区仍能集结100万至120万生力军，在高加索的50万人还不包括在内。这份报告证实了俄国为前线生产的坦克每月至少达1200辆。希特勒未等听完，便擦着拳头、嘴角挂着白沫，把念报告的人大骂了一顿，不许他今后再念这种“愚蠢的废话”。用哈尔德的话说，“用不着有未卜先知的天才，也能预见到一旦斯大林把这150万大军用于斯大林格勒和顿河翼侧，将会出现怎样的局面。”正是因为哈尔德十分清楚地向希特勒指出这一点，而招致被免除陆军参谋总长这一职务的后果。
继哈尔德担任德陆军参谋总长的是库特·蔡茨勒将军。陆军参谋总长一职曾在德国陆军中职务最高、权力最大，特别是在第一次世界大战期间。现在库特·蔡茨勒担任这个职务时，却比希特勒的一个听差好不了多少。
调换一个参谋总长并不能改变德国陆军的命运。这时兵分两路进攻斯大林格勒和高加索的德军，受到苏军的顽强抵抗，阻滞不前。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，虽获得一些进展，但损失十分惊人。凡经历过现代战争的人都知道，大城市中的断垣残壁，对顽强而持久的防守十分有利。苏联英勇无比的士兵充分利用这些障碍物，拼命争夺每一寸焦土废墟。尽管哈尔德及其继任者对希特勒作过警告：德国进攻斯大林格勒的部队已疲惫不堪，但是一意孤行的希特勒仍然硬要他们继续前进。一批又一批新的师投入战斗，但转眼间就在这人间地狱中化为齑粉。
进攻斯大林格勒本来只是德军达到目的的一个手段，但是现在却成为目的本身了。当德国部队已到达斯大林格勒城郊的南北两面的伏尔加河西岸，几乎切断了伏尔加河的交通时，这个目的实际上已经达到了。但现在对希特勒来说，能否占领斯大林格勒已成了一个关系到个人威信的问题。有一次，蔡茨勒终于鼓足勇气，斗胆向希特勒提了一个建议：由于沿顿河一带漫长的北翼战线情况危险，应将第7集团军从斯大林格勒撤退到顿河弯曲部一带。希特勒听后勃然大怒，声色俱厉地说道：
“德军士兵到了哪里，就要守到哪里！”
尽管困难重重，损失惨重，第6集团军司令保卢斯却于10月25日打电报向希特勒报告：他估计最迟可于11月10日完全占领斯大林格勒。希特勒听到这项保证兴奋极了。翌日便下达命令：第6集团军和正在斯大林格勒南面作战的第4装甲集团军应准备于斯大林攻陷以后，立即沿伏尔加河向南北两面继续向前推进。
难道希特勒不知道德军在顿河翼侧战线所受到的威胁吗？不是的。德军最高统帅部大事日记的记载表明，这种威胁曾引起希特勒忐忑不安。问题在于：他并没有充分意识到这种威胁的严重性，结果没有设法应付这种威胁。他深信局势已在他掌握之中，于是，在10月的最后一天，他和最高统帅部人员及陆军参谋总部撤出了在乌克兰维尼察的大本营，回到腊斯登堡的“狼穴”。他确实相信。如果苏联果真会发动冬季攻势的话，也只能在中路和在北路战线发动。那样，他在东普鲁士的大本营可以更好地进行指挥。
但是，他一回到“狼穴”，坏消息便接踵而至。
10月14日，德军出动5个师，再次派出2000架次飞机，对苏军发起新的进攻，妄图一举结束斯大林格勒的战斗。但是，和先前一样，德军又遇到了苏军的顽强防御。苏军第95师、第112师、第138师、坦克第48旅及近卫第13师、近卫第37师尤为勇猛善战。日日夜夜，战斗不停地在街道上、建筑物内、工厂内、伏尔加河岸上，到处进行着。苏军各部队遭到重大伤亡，据守在斯大林格勒的许多不大的“岛”上。
10月19日，顿河方面军各部队转入进攻，支援斯大林格勒保卫者。这次也像以往各次一样，德寇被迫从突击斯大林格勒的部队中抽调了大部分航空兵、炮兵和坦克来抵御顿河方面军的进攻。与此同时，第64集团军在库波罗斯诺耶、绿草地地域由南向敌进攻部队的翼侧实施了反突击。顿河方面军的进攻和第64集团军的反突击减轻了第62集团军的困难处境，并粉碎了敌人攻占斯大林格勒的企图。如果没有顿河方面军和第64集团军的援助，第62集团军就会支持不住，斯大林格勒也可能会陷入敌手。
11月初，德军数次企图消灭市内的各个防御基点。11月11日，当苏军已充分做好反攻准备时，德军又一次企图进攻，但均未得逞。这时，德军已精疲力竭，其部队和兵团的人数极少，不仅士兵，连军官的士气也一落千丈，很少有谁相信，能够活着离开这个令人苦恼不堪的数个月交战的地狱。