Советские контрудары в сентябре – октябре преследовали цель окружить и уничтожить прорвавшуюся к Волги германскую группировку. Ставка передала Сталинградскому фронту 24-ю, 1-ю гвардейскую, 66-ю армии, которые должны были контрударом разгромить немецкий 28-й танковый корпус и соединиться с советскими войсками в Сталинграде.
В начале сентября советская 4-я танковая армия должна была своим левым флангом захватить Вертячий, отбросить немцев за Дон и выйти на рубеж оз. Песчаное – Мариновка. 24-я армия атаковала в направлении Карповки и должна была занять рубеж Мариновка – Новый Путь. 1-й гвардейской армии во взаимодействии с 24-й армией предстояло овладеть разъездом Басаргино, а затем выйти на рубеж Новый Путь – Верхне-Царицынский. 66-я армия наносила удар в направлении Орловки, чтобы отрезать прорвавшуюся к Волге группировку.
В 1-ю гвардейскую армию входили свежие 38-я, 39-я, 41-я гвардейские и 116-я стрелковые дивизии и 7-й танковый корпус, а также изрядно потрепанные в предшествовавших боях 24-я, 64-я, 84-я и 315-я стрелковые дивизии, где сохранилось очень мало артиллерии, и 4-й и 16-й танковые корпуса, каждый из которых по числу танков скорее соответствовал танковой бригаде. Армия была усилена 671-м артиллерийским полком с 18 152 мм гаубицами-пушками и дивизионом 1158-го артиллерийского полка с шестью 122-мм пушками. В 24-ю армию входили 173– я, 292-я, 308-я, 221-я и 207-я стрелковые дивизии и 217-я танковая бригада, а в 66-ю армию – 299-я, 120, 231-я, 49-я и 99-я стрелковые дивизии и 246,148,10 и 69-я танковые бригады.
Советская авиация сталинградского направления (8-я и 16я воздушные армии и 102-я и ад ПВО) к 1 сентября имела 738 исправных самолетов, в том числе 113 дневных бомбардировщиков, 71 ночной бомбардировщик, 241 штурмовик и 313 истребителей. Кроме того, использовались 150–200 бомбардировщиков авиации дальнего действия.
Немецкий 4-й воздушный флот имел 260 истребителей Ме-109,60 Ме-110,86 пикирующих бомбардировщиков Ю-87, 156 бомбардировщиков Ю-88 и 160 бомбардировщиков Хе-111. Всего у немцев на южном крыле Восточного фронта было 722 самолета, без учета разведывательной и вспомогательной (связной) авиации. Из них исправными были 60–70 %. Из состава 4-го флота на Сталинградском направлении действовал только 8-й авиакорпус, который имел около 100 исправных самолетов, в том числе 30—40 истребителей, 30 бомбардировщиков, 30–40 пикирующих бомбардировщиков. Таким образом, советские ВВС обладали почти семикратным численным превосходством.
1-я гвардейская армия генерала Кирилла Москаленко атаковала 3 сентября, имея на подготовку один день, в направлении совхоз Котлубань, Самофаловка, Гумрак. Немцы, зная о подготовке наступления, нанесли упреждающий артиллерийский и авиационный удары.
24-я и 66-я наступали 5 и 6 сентября, но потерпели неудачу. Войска вводились прямо с колес, не зная точного расположения немецких позиций. 24-я армия в день наступления совершила 50-километровый марш, и можно представить себе состояние ее бойцов перед атакой. Разумеется, ни о какой рекогносцировки местности или налаживании взаимодействия и речи не шло. Впрочем, в этом отношении данное наступление принципиально ничем не отличалось от подавляющего большинства проведенных Красной Армией наступлений в 1941–1945 годах. Гладко все выглядело только в послевоенных генеральских и маршальских мемуарах.
11 сентября наступление, стоившее больших потерь советским войскам, было прекращено. Одной из причин неудачи стала нехватка артиллерийских снарядов. Но эти атаки отвлекли часть немецких сил от Сталинграда и не позволили армии Паулюса быстро взять город.
10 сентября 62-я армия отошла в город. Ее дивизии были отрезаны от 64-й армии, которая сражалась на юге. К 13 сентября немцы заняли западные окраины города, аэропорт и казармы, вышли к железнодорожному вокзалу. В воздухе безраздельно господствовали люфтваффе. Немцы применяли в боях за Сталинград тактику штурмовых групп, которую к концу сентября у них переняли оборонявшиеся советские войска. Генерал Василий Чуйков вспоминал: «Штурмовая группа состояла обычно из взвода или роты пехоты (от 20 до 50 стрелков) (50 стрелков – это, скорее, два взвода, а не рота. –
Последний, четвертый генеральный штурм Сталинграда начался 11 ноября. Немецким войскам удалось захватить южную часть территории завода «Баррикады» и на узком участке в 600 метров пробиться к Волге в районе завода «Баррикады». 62-я армия оказалась рассеченной на три части. Основные ее силы обороняли территорию завода «Красный Октябрь». Штурм был прекращен после начала советского контрнаступления 19 ноября.
6-я армия достигла берега Волги самом Сталинграде, захватив 90 процентов территории превращенного в руины города и разрезав советские войска на две части.