В те­че­ние двух но­чей, 15 и 16 сен­тяб­ря, на пра­вый бе­рег Вол­ги пе­ре­пра­ви­лась 13-я гвар­дей­ская стрел­ко­вая ди­ви­зия генерала А. И. Ро­дим­це­ва, при­быв­шая на по­пол­не­ние обес­кров­лен­ной 62-й ар­мии. Гвар­дей­ские час­ти от­бро­си­ли не­мец­кие вой­ска от рай­она цен­траль­ной пе­ре­пра­вы че­рез Вол­гу, очи­сти­ли от них многие ули­цы и квар­та­лы, вы­би­ли из во­кза­ла Ста­лин­град-1. 16 сен­тяб­ря вой­ска 62-й ар­мии при под­держ­ке авиа­ции штур­мом ов­ла­де­ли Ма­мае­вым кур­га­ном.

16 и 17 сен­тяб­ря осо­бен­но на­пря­жен­ные бои шли в цен­тре го­ро­да. На по­мощь ис­те­кав­шей кро­вью 62-й ар­мии при­бы­ла 92-я мор­ская стрел­ко­вая бри­га­да, сфор­ми­ро­ван­ная из мо­ря­ков Бал­тий­ско­го и Се­вер­но­го фло­тов, и 137-я тан­ко­вая бри­га­да, имев­шая на воо­ру­же­нии лег­кие тан­ки.

64-я ар­мия, про­дол­жав­шая удер­жи­вать за­ни­мае­мые ею ру­бе­жи, от­вле­ка­ла на се­бя часть сил про­тив­ни­ка.

21 и 22 сен­тяб­ря пе­ре­до­вые от­ря­ды вра­га про­рва­лись к Вол­ге в рай­оне цен­траль­ной пе­ре­пра­вы. Нем­цы ов­ла­де­ли боль­шей ча­стью го­ро­да.

На по­мощь за­щит­ни­кам Ста­лин­гра­да про­дол­жа­ли при­бы­вать под­кре­п­ле­ния. В ночь на 23 сен­тяб­ря на пра­вый бе­рег пе­ре­пра­ви­лась 284-я стрел­ко­вая ди­ви­зия под ко­ман­до­ва­ни­ем пол­ков­ни­ка Н. Ф. Ба­тю­ка.

В го­ро­де, на ули­цах и пло­ща­дях ко­то­ро­го раз­вер­ну­лись яро­ст­ные бои, все еще на­хо­ди­лась часть жи­те­лей. Опе­ра­тив­ные груп­пы го­род­ско­го ко­ми­те­та обо­ро­ны, ос­та­вав­шие­ся в го­ро­де, на­прав­ля­ли дея­тель­ность уце­лев­ших пред­при­ятий. Ра­бо­чие ре­мон­ти­ро­ва­ли по­вре­ж­ден­ные тан­ки, из­го­тов­ля­ли ору­жие, сна­ря­ды, противотанковые сред­ст­ва. Мно­гие жи­те­ли го­ро­да с ору­жи­ем в ру­ках ве­ли борь­бу с вра­гом.

С кон­ца сен­тяб­ря глав­ные уси­лия вра­га на­пра­ви­лись на захват се­вер­ной час­ти го­ро­да, где бы­ли рас­по­ло­же­ны круп­ней­шие про­мыш­лен­ные пред­при­ятия. Упор­ная борь­ба про­хо­ди­ла так­же в рай­оне Ма­мае­ва кур­га­на и на край­нем пра­вом флан­ге 62-й ар­мии в рай­оне Ор­лов­ки. Улич­ные бои шли на тер­ри­то­рии ра­бо­чих по­сел­ков «Крас­ный Ок­тябрь» и «Бар­ри­ка­ды».

Ос­нов­ные си­лы Ста­лин­град­ско­го фрон­та бы­ли от­ре­за­ны про­тив­ни­ком от го­ро­да. Учи­ты­вая это, Став­ка в кон­це сен­тяб­ря пе­ре­име­но­ва­ла Ста­лин­град­ский фронт в Дон­ской фронт. Ко­ман­дую­щим Дон­ским фрон­том был на­зна­чен генерал-лейтенант К. К. Ро­кос­сов­ский. Юго-Вос­точ­ный фронт, вой­ска ко­то­ро­го ве­ли бои за го­род, был пе­ре­име­но­ван в Сталинградский фронт (ко­ман­дую­щий ге­не­рал-пол­ков­ник А. И. Ере­мен­ко). Позд­нее на пра­вом кры­ле Дон­ско­го фрон­та соз­да­ет­ся но­вый, Юго-За­пад­ный фронт (ко­ман­дую­щий генерал-лейтенант Н. Ф. Ва­ту­тин).

Ко­ман­до­ва­ние Ста­лин­град­ским фрон­том стре­ми­лось ос­ла­бить на­тиск гит­ле­ров­ских войск не­по­сред­ст­вен­но на го­род. С этой це­лью бы­ли про­ве­де­ны ча­ст­ные опе­ра­ции юж­нее Ста­лин­гра­да. 29 сен­тяб­ря — 4 ок­тяб­ря вой­ска 51-й ар­мии на­нес­ли контр­удар в рай­оне Са­до­вое. При­мер­но в это же вре­мя был на­не­сен и вто­рой контр­удар 57-й и 51-й ар­мия­ми в рай­оне озер Сар­па, Ца­ца и Бар­ман­цак. Эти контр­уда­ры за­ста­ви­ли не­мец­кое ко­ман­до­ва­ние снять часть сил с глав­но­го на­прав­ле­ния, что вре­мен­но ос­ла­би­ло на­тиск вра­га не­по­сред­ст­вен­но на го­род. Кро­ме то­го, в ре­зуль­та­те этих дей­ст­вий со­вет­ские вой­ска ов­ла­де­ли вы­год­ны­ми плацдармами для по­сле­дую­ще­го контр­на­сту­п­ле­ния.