В связи с этим командующий Юго-Восточным фронтом 30 августа решил отвести эти армии на средний сталинградский обвод. Но организовать оборону на этом рубеже войскам этих армий не удалось. Противник, упредив наши войска, 31 августа прорвал средний обвод севернее Гавриловки. Поэтому командующий Юго-Восточным фронтом к исходу 2 сентября отвел 62-ю и 64-ю армии на внутренний, обвод. 62-я армия заняла для обороны участок от Волги до железной дороги, соединяющей Сталинград с Донбассом, прикрыв таким образом город с севера и запада; южнее до Ивановки оборонялась 64-я армия, прикрывал Бекетовку и Красноармейск. 57-я армия закрепилась на рубеже Ивановка, оз. Цаца.

С выходом противника к внутреннему обводу создалась непосредственная угроза прорыва противника в Сталинград. Требовалось принять срочные меры, которые позволили бы отвлечь часть сил врага от города, ослабить его нажим на 62-ю и 64-ю армии и выиграть время для организации непосредственной обороны города и подтягивания резервов из-за Волги.

Ставка Верховного Главнокомандования продолжала усиливать сталинградское направление крупными силами. В начале сентября на усиление левого крыла Сталинградского фронта в район к северу от Сталинграда прибыли из резерва Ставки 24-я армия под командованием генерал-майора Галанина И. В. в составе 5 стрелковых дивизий и 66-я армия, которой командовал генерал-лейтенант Малиновский Р. Я., в составе 5 стрелковых дивизий, 2 танковых бригад и двух танковых корпусов. Управление 1-й гвардейской армии передало занимаемый участок 21-й армии и было выведено также в район севернее Сталинграда, где в его подчинение поступило 6 дивизий из резерва Ставки и одна дивизия, бывшая ранее в составе армии. 1-й гвардейской армией в это время командовал генерал-майор артиллерии Москаленко К. С.

К 4 сентября основные силы сосредоточиваемых армий выдвинулись на рубеж Самофаловка, Ерзовка.

Во исполнение указаний Верховного Главнокомандующего войска левого крыла Сталинградского фронта силами 24-й, 1-й гвардейской и 66-й армий в течение сентября провели две наступательные операции и в октябре одну наступательную операцию с целью разгрома прорвавшейся к Волге группировки противника и соединения с 62-й армией. Хотя поставленные задачи им не удалось выполнить полностью, их активные действия заставили гитлеровское командование повернуть значительную часть сил 6-й немецкой армии фронтом на север и занять ими оборонительные рубежи с целью отражения ударов войск Сталинградского фронта. Это значительно ослабило ударную группировку рвавшегося к Сталинграду врага и позволило 62-й и 64-й армиям задержать его до 13 сентября на внутреннем оборонительном обводе.

Для атаки Сталинграда с севера 6-я немецкая армия в начале сентября практически могла выделить только 51-й армейский корпус. На его южную окраину и на Бекетовку наступал 48-й танковый корпус в составе двух танковых, одной моторизованной и одной пехотной дивизий. Вследствие героического сопротивления советских войск противник не смог овладеть городом с ходу и бои приняли затяжной характер.

Гитлер, недовольный ходом боевых действий на сталинградском направлении, 12 сентября 1942 г. вызвал в Винницу, в штаб верховного командования, командующего группой армий «Б» генерал-полковника Вейхса и командующего 6-й армией генерал-полковника Паулюса. Оценивая общее стратегическое положение на советско-германском фронте, Гитлер указал, что русские находятся на грани истощения своих сил. Их сопротивление под Сталинградом следует оценивать лишь как эпизод местного значения. К ответным действиям широкого стратегического характера, которые могли быть опасными для немецких войск, русские уже не способны. В заключение Гитлер потребовал в кратчайший срок овладеть Сталинградом, не допустив его превращения во всепожирающий фокус на длительное время.

Задача овладения городом была возложена на 6-ю немецкую армию, в состав которой был передан 48-й танковый корпус. 4-я танковая армия должна была очистить от советских войск западный берег Волги южнее Сталинграда.

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. Выход 3-й румынской армии позволил командованию 6-й немецкой армии бросить на Сталинград дополнительно 3 пехотные дивизии. Для прикрытия правого фланга 4-й танковой армии во второй половине октября в район севернее Кетченеры был переброшен с Кубани румынский кавалерийский корпус.

Для ведения боев в городе в район Сталинграда гитлеровское командование перебросило специальные инженерные части.

В середине сентября немецко-фашистские войска начали штурм Сталинграда. Более двух месяцев шла ожесточенная борьба на непосредственных подступах к Сталинграду и внутри самого города. Весь мир, затаив дыхание, следил за героической борьбой защитников Сталинграда.

20 сентября начальник германского генерального штаба сухопутных войск генерал Гельдер, оценивая военные действия под Сталинградом, вынужден был признать, что «все больше и больше ощущается постепенное истощение наступающих войск».

Ценой огромных потерь противнику удалось ворваться в город. Немецкие войска несли огромные потери, но, постоянно понукаемые Гитлером, продолжали штурм города. До 26 сентября боевые действия шли в основном за центральную и южную части города. На отдельных участках фронта немецко-фашистским 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.