В тот же день советское командование, сосредоточив около 650 танков, атаковало 14-й танковый корпус генерала фон Витерсгейма, пробивший узкий коридор от Дона до Волги. До начала сентября немцы отбивались от атак, получая снабжение в основном по воздуху. 14-й танковый корпус понес большие потери, и Витерсгейм попросил разрешение на отход, но Паулюс запретил ему это делать. Витерсгейм продолжал упорствовать, и тогда Паулюс снял его с должности, заменив генералом Хубе. Генералы и офицеры 6-й армии удивились этому решению, не потому, что Паулюс так поступил с заслуженным командиром — такие случаи на фронте были не редкими, а потому что это сделал именно он. К тому времени Фридрих Паулюс командовал армией почти 9 месяцев и успел заслужить иронические прозвища «наш самый элегантный дворянин» и «благородный господин». До назначения в 6-ю армию он почти всю свою карьеру провел на штабной работе, где его очень уважали за скрупулезность, въедливость и педантизм. Этими качествами Паулюс выделялся даже в немецком Генштабе, где ими трудно было кого-то удивить. Паулюс был одним из авторов плана «Барбаросса», и его высоко ценил фюрер. Всегда и везде появлявшийся в перчатках, Паулюс в любой боевой обстановке каждый день принимал ванну и менял одежду дважды в сутки. Никто никогда не слышал его крика, он очень не любил конфликты и считался всеми чересчур мягким человеком, которому не хватает решительности и темперамента. Именно поэтому снятие Витерсгейма было воспринято с таким удивлением.
29 августа армия Гота, сломив сопротивление 64-й армии, подошла вплотную к городу.
5 сентября Жуков по приказу Сталина начал наступление к северу и северо-западу от Сталинграда силами 1-й гвардейской, 24-й и 66-й армий, стремясь фланговым ударом разгромить немецкие войска, достигшие Волги, соединиться с остатками 62-й армии и восстановить общую линию обороны с Юго-Восточным фронтом. Под непрерывными бомбежками советские войска 10 дней вели лобовые атаки на немецкие позиции. Результата достичь не удалось, а войска понесли тяжелейшие потери, лишившись почти всех танков.
12 сентября Паулюс вместе с командующим группой армий «Б» генерал-фельдмаршалом Вейхсом были на докладе у Гитлера в его ставке под Винницей. Фюрер потребовал от генералов немедленного взятия Сталинграда. Он сказал: «...надо позаботиться о том, чтобы поскорее взять город в свои руки, а не допускать его превращения во всепожирающий фокус на длительное время». Хотя во взятии Сталинграда у немцев военной необходимости уже не было: северо-восточный фланг кавказского наступления был обеспечен, судоходство по Волге прервано, город уже не являлся важным узлом коммуникаций, а его заводы были разрушены. Но фюрер лично пообещал немецкому народу, что город Сталина будет взят, а значит, из соображений престижа это нужно было сделать обязательно. Генерал Паулюс попросил дополнительно хотя бы 3 дивизии и отбыл на фронт в тот же день.
К 12 сентября 62-я армия с новым командующим — генералом В.И. Чуйковым — была полностью изолирована от других советских частей на правом берегу Волги. Фронт обороны армии составлял 25 км, армия защищала центр города и все заводские районы. В середине сентября она насчитывала чуть больше 50 000 человек, около 900 орудий и минометов и 100 танков. Для разгрома «чуйковцев» Паулюс сосредоточил около 100 000 человек, 200 танков и штурмовых орудий и около 1 000 минометов и орудий. Советское командование сделало очень удачный выбор, назначив именно Чуйкова командующим армией, дерущейся в городских развалинах. Он сразу выработал принципы городских боев.
13 сентября немцы силами трех дивизий пошли на штурм в направлении Мамаева кургана (высоты, господствующей над городом) и железнодорожного вокзала. Введя дополнительно в бой еще 2 дивизии, к вечеру немцы заняли и Мамаев курган, и вокзал. Бой шел в 800 метрах от КП 62-й армии. Немцы несли большие потери, но стремились закончить дело в тот же день или ночь. В ту ночь Сталинград спасла 13-я гвардейская стрелковая дивизия генерал-майора А.И. Родимцева. Сумев переправиться с левобережья, дивизия прямо с переправы побатальонно пошла в ночной рукопашный бой и сумела оттеснить немцев от берега к центру города. Утром 14-го удалось отбить и Мамаев курган. В этой атаке дивизия потеряла 3 500 человек из 10000, но положение спасла. Немцы, также понесшие большие потери, были вынуждены перегруппировать силы, и 62-я армия получила передышку. За это время удалось подвезти по единственной переправе боеприпасы, медикаменты и продовольствие, так как в начале сентября из города вывезли все склады. Теперь по ночам под огнем противника все перевозилось назад.
Уличные бои в городе не затихали ни днем, ни ночью. Ожесточенные схватки шли не только за каждую улицу, но за каждый дом, а иногда и этаж. Железнодорожный вокзал переходил из рук в руки 13 раз. Одним из главных символов Сталинградского сражения стала оборона горсткой из 20 советских солдат под командованием сержанта Якова Павлова дома на одной из городских площадей, имевшего выгодное стратегическое положение. 58 дней и ночей немцы почти беспрерывно штурмовали этот опорный пункт, применяя артиллерию, танки и даже авиацию, но все было тщетно. Среди защитников дома не осталось ни одного не раненного бойца, но немцы так и не захватили эту груду почерневших камней.
22 сентября немцам удалось разрубить 62-ю армию на две части и выйти к центральной переправе. Генерал Родимцев вспоминал, что в тот день «боевые действия по напряженности, ожесточению и потерям превзошли все предыдущие бои, которые пришлось вести гвардейцам в городе. Это был поистине ад. Я побывал не в одном сражении, но в такой схватке мне довелось участвовать впервые». И вновь ситуацию спасли резервы — 284-я дивизия (10 000 человек) подполковника Н.Ф. Батюка, прибывшая ночью, вступила в бой прямо на берегу и сумела отбросить немцев от пристани.
Генерал Ханс Дёрр вспоминал: «...Километр, как мера длины, был заменен метром, карта генерального штаба — планом города. Расстояние между нашими войсками и противником было предельно малым. Несмотря на массированные действия авиации и артиллерии, выйти из района ближнего боя было невозможно. Русские превосходили немцев в отношении использования местности и маскировки и были опытнее в баррикадных боях за отдельные дома... Позиционная война нагрянула неожиданно для немецких войск, потери в людях и технике были несоизмеримы с успехами, которые исчислялись квадратными метрами захваченной местности...»
28 сентября был образован новый фронт — Донской, в состав которого вошли все армии Сталинградского фронта, державшие оборону к северу от города. Командующим Донским фронтом был назначен генерал-лейтенант К.К. Рокоссовский. Юго-Восточный фронт был переименован в Сталинградский, и в него вошли армии, оборонявшиеся южнее города и в самом городе. Командующим новым Сталинградским фронтом стал генерал А.И. Еременко.
В начале октября основные бои в городе шли в районе тракторного завода, завода «Красный Октябрь» и завода «Баррикады». Несмотря на все усилия, немцам не удалось выбить советские войска из этих районов. Немецкие штурмовые группы пытались проникнуть на заводы даже по системе канализации, но были отброшены и там. На «Баррикадах» линия противостояния проходила посередине литейного цеха — немцы, закрепившиеся на одной его стороне, не могли пройти дальше из-за советских пулеметчиков, засевших в полуразрушенных мартеновских печах. Боеспособность многих немецких дивизий упала почти до нуля — так, в 94-й пехотной осталось 535 человек, а в 76-й — меньше ста. Потери в советских дивизиях были не меньшими.
14 октября 1942 года Гитлер отдал приказ о переходе всех войск на Восточном фронте к стратегической обороне, кроме Сталинграда, а также в районах Нальчика и Туапсе. Этот приказ означал, что летнее наступление немцев фактически провалилось, о чем и предупреждал фюрера начальник Генштаба Гальдер, который, впрочем, за «пессимизм» был уволен с должности еще в конце сентября. Наиболее «оптимистичным» кандидатом на это место Гитлеру показался генерал-полковник Курт Цейцлер, бывший в то время начальником штаба группы армий «Д» на Западе. Цейцлер рьяно взялся за дело, но уже через 2 недели, ознакомившись с обстановкой, высказался за отвод войск со Сталинградского направления и сокращение линии фронта. Гитлер отмахнулся от этого предложения, но Цейцлера с должности не снял, видно, даже для него ежемесячная смена начальника Генштаба показалась слишком частой.
Паулюс получил новые подкрепления, а из Германии по воздуху были присланы 5 отборных штурмовых саперных батальонов. Численность немецких дивизий была доведена до 90 000 солдат и офицеров. Весь 8-й авиакорпус должен был поддерживать решающее октябрьское наступление.
14 октября 3 пехотные и 2 танковые дивизии вермахта перешли в наступление, имея цель расчленить и окончательно уничтожить 62-ю армию. 15 октября немцы взяли тракторный завод, вернее, его развалины, разрезали армию Чуйкова и прорвались к Волге. Снаряды рвались прямо на КП Чуйкова. Он сам вспоминал: «На командном пункте армии погибло 30 человек. Охрана штаба армии не успевала откапывать людей из разбитых блиндажей...». В этот день командарм 62-й попросил у генерала Еременко разрешения перенести свой КП на левый берег, так как положение было критическим. Командующий фронтом сделать это Чуйкову запретил, да и сам был вынужден прибыть на правый берег по приказу Сталина, «чтобы помочь Чуйкову». Еременко переправился не один, а вместе со 138-й стрелковой дивизией полковника И.И. Людникова, которой удалось немного стабилизировать положение.
11 ноября немцы предприняли последнюю попытку овладеть всем городом — у завода «Баррикады» они прорвали советскую оборону и вышли к Волге на участке 500 метров. 138-я стрелковая дивизия оказалась отрезанной от основных сил 62-й армии и заняла круговую оборону на «пятачке» около 700 м по фронту и 400 м вглубину. Этот «пятачок» получил название «остров Людникова» по имени комдива. Здесь советские бойцы отбивались до самого конца оборонительного периода.
Больше попыток наступать немцы не предпринимали. Накопить силы для нового рывка они не успели — 19 ноября началось крупное наступление советских войск к северу и югу от Сталинграда. К разработке плана этой операции Ставка ВГК приступила в конце сентября, когда стало ясно, что немцы все-таки «увязли» в Сталинграде. Немцы сами «подсказали», как нужно действовать советским войскам. Войска группы армий «Б» располагались крайне неудачно — в междуречье Волги и Дона, образуя огромную дугу с вершиной у Сталинграда. Достаточных резервов у немцев не было, а фланги сталинградской группировки были прикрыты слабыми частями союзников. Оставалось решить, по кому из них нанести решительный удар. Выбор Ставки ВГК пал на румын, «державших» оборону как к северу, так и к югу от Сталинграда. Быстрый прорыв их обороны обещал полный успех в деле окружения 6-й немецкой армии Паулюса. Немецкие военачальники на всех уровнях прекрасно понимали угрозу, нависшую над немецкими войсками, но все просьбы об отводе 6-й армии на Дон Гитлер отметал безапелляционно.
«Немецкий солдат остается там, куда ступит его нога» — это выражение было у Гитлера в то время одним из любимых.
Наступление советских войск получило название операция «Уран». Крупные группировки войск Сталинградского и Юго-Западного фронтов прорвались на обоих «румынских» флангах — на Дону и южнее Сталинграда — и начали охват группы армий «Б». Рокоссовский вспоминал: «Все попытки противника помешать окружению оказались запоздалыми. Соединения гитлеровцев, танковые и моторизованные, перебрасываемые из района Сталинграда к месту образовавшегося прорыва, вводились в бой по частям и, попадая под удары наших превосходящих сил, терпели поражение». 23 ноября войска Юго-Западного и Сталинградского фронтов соединились восточнее Калача. Кольцо замкнулось. Началась более чем двухмесячная агония 6-й немецкой армии. В этот день на встрече с Цейцлером, просившим уже неизвестно в какой по счету раз дать приказ на отход 6-й армии, фюрер впал в настоящую истерику, исступленно выкрикивая одну фразу: «Я не уйду с Волги!»
У 6-й армии и других частей, попавших в окружение, были хорошие шансы на прорыв в конце ноября, когда советские войска еще не успели как следует укрепить оборону, но к середине декабря эти шансы стали призрачными — у армии кончались боеприпасы, медикаменты и главное — съестные припасы. День, когда к осажденным попадало хотя бы 50 т грузов (вместо минимально необходимых 500 т), те считали хорошим.
Тем временем Гитлер разрешил генерал-фельдмаршалу Эриху фон Манштейну, командующему новоиспеченной группой армий «Дон», нанести деблокирующий удар для освобождения 6-й армии. Время для этого в общем-то ушло, но Манштейн все равно решил попробовать. Правда, для успеха операции он просил Гитлера отдать армии Паулюса приказ на встречный прорыв, но этого фюрер делать не стал. Теперь фюрер называл «котел» окружения «крепостью Сталинград» и уверял Цейцлера и всех остальных, что если нужно, он деблокирует 6-ю армию весной. К 12 декабря основную деблокирующую силу, 4-ю танковую армию Гота, удалось довести почти до штатной численности. Для усиления ей был придан батальон новейших тяжелых танков «тигр» из резерва главного командования. Сначала для немцев все шло довольно успешно — 19 декабря танки вышли к реке Мышкова и 20-го, форсировав ее, они оказались в 45 км от окруженной группировки, где были остановлены частями советской противотанковой артиллерии. Как вспоминал Манштейн, именно в эти дни у Паулюса была последняя возможность вырваться со своей армией из тисков. Для этого нужно было нанести удар всеми имеющимися средствами навстречу танкам Гота. Но Паулюс сделать этого не попытался, хотя Манштейн, по его словам, брал на себя всю ответственность. Гот не мог ждать Паулюса долго на Мышкове и уже 22 декабря под мощными ударами советских войск начал быстро отступать и в итоге смог закрепиться только в 100 км от «котла». Смертный приговор 6-й армии был подписан.
Манштейн и Цейцлер каждый день просили фюрера разрешить 6-й армии сдаться, но тот неизменно отказывал, также ежедневно приказывая Паулюсу «держаться» и «сражаться до последнего патрона». С наступлением нового, 1943, года в 6-ю армию пришел жестокий голод, особенно непереносимый на фоне 20-градусного мороза. Советское командование знало о положении немецких войск и атаковать не спешило — голод, холод и сыпной тиф и так неплохо справлялись.
8 января 1943 года советское командование обратилось к Паулюсу с ультиматумом: если он не согласится сдаться к 10 часам утра следующего дня, все находящиеся в окружении будут уничтожены. Паулюс обратился с запросом к Гитлеру, но тот категорически запретил капитуляцию. 10 января началась последняя атака советских войск на 6-ю армию. Немецкие солдаты сдавались в плен целыми ротами и батальонами. Зачистка «котла» продолжалась до конца января, так как некоторые подразделения оказывали сопротивление, иногда отчаянное. 30 января Паулюс отправил Гитлеру теплое поздравление по случаю 10-й годовщины прихода того к власти. В ответной радиограмме фюрер присвоил Паулюсу звание генерал-фельдмаршала и сообщил, что еще ни один германский фельдмаршал в плен не попадал. Паулюс все прекрасно понял, но стреляться не захотел и 1 февраля сдался со своим штабом на милость победителей. Последние немецкие части сдались 2 февраля.
Из 270 000 человек, попавших в окружение в Сталинграде 22 ноября, в плен было взято 90 000. 25 000 раненых успели вывезти на самолетах, но около 150 000 навсегда остались на Волге. После войны на Нюрнбергском процессе обвиняемый Альфред Йодль скажет: «Я испытываю глубокое сострадание к свидетелю генералу Паулюсу. Он не знал, что Гитлер считал его армию потерянной с тех пор, как первые зимние метели стали бушевать в районе Сталинграда».