Подразделения 270-го полка НКВД с 25 июля по 1 сентября несли службу заграждения в оперативном тылу 64-й армии по линии Басаргино — Абганерово — Аксай — Перегрузное. 4 сентября полк был переброшен в Сталинград, где занял позиции во втором эшелоне обороны позади 271 и 272-го полков. Позиции пришлось оборудовать под градом бомб. При этом 1-й батальон имел задачей удерживать кладбище с окрестностями, 2-й — поселок Дар-Гора и дом НКВД, а 3-й — центральную часть города, прилегающую к советской больнице. Позади полка в устье реки Пионерки располагался штаб 10-й дивизии НКВД. 6 сентября полк был пополнен отрядом ополченцев (5 командиров и 993 бойца), которые были вооружены самозарядными винтовками СВТ-40, автоматами ППШ-41 и противотанковыми ружьями. После этого численность 270-го полка составила 2291 человек.
9 сентября враг ворвался в село Нижняя Ельшанка, откуда под прикрытием танков проник на находившиеся в тылу 270-го полка улицы Ростовская, Коммунистическая и Профсоюзная, а также к элеватору, который вскоре стал ареной ожесточённых боёв. Дальше немцев остановила 6-я рота 2-го батальона, которая до вечера 12 сентября стойко обороняла рубеж разъезд — железнодорожная будка. Будучи отрезанной с тыла противником, она вся погибла. Бывший фельдшер 6-й роты 2-го батальона 270-го полка 10-й дивизии НКВД СССР Раиса Александровна Широкова (в девичестве — Шестакова) вспоминает: «12 сентября к вечеру ко мне прибегает в медпункт Виктор Минякин (младший лейтенант, командир взвода. —
15 сентября в 17.00 немцы нанесли два одновременных удара по 4-й и 5-й ротам — в лоб и обходной, со стороны дома НКВД. При этом 2-й батальон был атакован в спину десятью прорвавшимися танками 24-й танковой дивизии немцев. Два из них удалось поджечь, но оставшиеся восемь машин сумели прорваться на позиции 5-й роты, где гусеницами заживо погребли в окопах до двух взводов личного состава. В сумерках на КП 2-го батальона сумели собраться только десять чудом выживших в той страшной мясорубке бойцов 5-й роты. К концу дня в полку оставалось в строю 540 человек.
16 сентября в 7.20 немцы большими силами перешли в наступление сразу с двух направлений — от кладбища на старую церковь и от станции Сталинград-II вдоль полотна железной дороги к железнодорожному мосту через реку Царица. Чтобы сдержать этот удар, на правах последнего резерва в бой были брошены все спецподразделения, включая саперный и химический взводы. Однако в 16.30 враг силами пехотного батальона при поддержке двадцати средних танков вновь перешел в наступление, в этот раз на участке обороны 4-й роты. Шесть танков «васильковым фуражкам» удалось поджечь из ПТР и бутылками с горючей жидкостью, но остальные прорвались и целиком уничтожили два взвода чекистов.
В 18.00 был получен приказ командира дивизии полковника Сараева во что бы то ни стало отбить мост через реку Царица, именуемый «Пионеркой», после чего наступать в направлении железнодорожной станции Сталинград-II и элеватора. Наступление началось в 21.00. Оно велось 1-й и 2-й ротами 1-го стрелкового батальона. Едва мост был отбит, как тут же через него на противоположный берег устремился 2-й стрелковый батальон в составе четырех рот. Мощной атакой ему удалось захватить плацдарм на северном берегу Пионерки от моста до больницы, сомкнув фланг с 272-м стрелковым полком.
17 сентября противник продолжил наступление и 270-й полк практически попал в окружение. 19 сентября в 3.00 поступил приказ полковника Сараева отбить у врага рубежи, утраченные двумя днями раньше. Атака началась в 5.30 и в ней участвовали все без исключения остававшиеся в строю. Врага удалось потеснить, но удерживать отвоеванный рубеж было уже некому: в 1-м батальоне в живых осталось 25 человек, а во 2-м — четырнадцать.
Своим приказом от 20 сентября командир дивизии полковник Сараев влил остатки 270-го полка в 272-й полк. Всего туда было передано 109 человек (из вступивших в бой 2291 человек) при двух пушках-«сорокопятках» и трех 82-мм минометах. Но и урон, нанесенный врагу, был немалый: «Полк в составе 2 б-нов и спецподразделений, руководимый Журавлевым, за период боев за город Сталинград уничтожил 6800 гитлеровцев, 16 танков, 8 станковых пулеметов, 35 ручных пулеметов, 10 автомашин с боеприпасами и грузами, 2 минометные батареи, 2 зенитных орудия и 2 ПТР, 1 мотоцикл» (ЦАМО: ф. 33, оп. 682525, д. 9, л. 312).