Meski Stalingrad telah menjadi puing, pasukan Uni Soviet di bawah pimpinan Letnan Jenderal Vasily Chuikov memberikan perlawanan hebat. Mereka memanfaatkan gedung-gedung yang hancur dan reruntuhan bangunan sebagai lokasi pertahanan dan perlindungan dalam melakukan serangan.
Kedua kubu bertempur dalam pasukan-pasukan kecil beranggotakan delapan sampai 10 orang memperebutkan setiap jengkal kota. Taktik yang disebut Rattenkrieg atau Perang Tikus oleh pasukan Jerman ini memberi kemajuan besar pada teknologi dan strategi perang kota atau urban warfare. Tetapi, meski banyak pertempuran di dalam kota banyak memakan korban, sebagian besar tentara tewas akibat kurangnya suplai obat, makanan dan air.
Titik balik pertempuran terjadi setelah pemimpin Soviet Joseph Stalin mengirimkan bantuan untuk membebaskan kota yang memiliki namanya tersebut. Dengan bantuan pasukan yang diberikan Stalin, pada November 1942 Jenderal Georgy Zhukov melancarkan serangan balik yang berhasil membuat pasukan Nazi Jerman terdesak. Hanya dalam tempo tiga hari pasukan Soviet dengan kekuatan 500 ribu infanteri, 900 tank dan 1.400 pesawat berhasil mengepung lebih dari 200 ribu tentara Jerman di Stalingrad.
Setelah terkepung, pasukan Italia dan Rumania yang ikut bertempur bersama pasukan Jerman menyatakan menyerah, tetapi pasukan Jerman bertahan sambil menunggu bantuan datang. Hitler memerintahkan Von Paulus untuk tidak menyerah dan mempromosikannya menjadi panglima tertinggi.