正因为如此，面临巨大的压力，斯大林的心情一刻也不敢放松。尽管总参谋长华西列夫斯基以及其他党政军领导人都在帮他分担部分压力，但他依然不放心。他急需一个能够救斯大林格勒于危难之中的军事统帅来辅佐他。如同前几次一样，这次斯大林又想到了朱可夫大将。
就在斯大林格勒危在旦夕之机，朱可夫大将正在指挥西方方面军和加里宁方面军实施攻击，以牵制德军的预备队，使之不能投入斯大林格勒战役。然而，由于兵力不足，朱可夫的进攻收效不大，并没有对德军造成更大的威胁。1942年8月27日，朱可夫大将正在组织部队实施进攻战役，突然接到了斯大林的电话：
“你必须尽快赶到最高统帅部，留下参谋长代理你的工作”。
放下话筒，朱可夫大将直接飞到了莫斯科。
斯大林格勒保卫战
9月3日凌晨，一阵猛烈的炮击之后，近卫第1集团军发起了进攻。但由于德军强有力的阻击，进攻只前进了几公里就被迫停了下来。德军很快就稳住了阵脚，在占绝对优势的航空兵支援下，迅速以坦克部队实施反攻，德军的火力明显地强于苏军，到了晚上，近卫第1集团军的进攻全线受阻。
就在同一天，纳粹德军对斯大林格勒城发起了疯狂的冲击，在城西和城西南，德军多处突破了苏军防线，逼近市区。苏军最高统帅部原指望近卫第l集团军在斯大林格勒以北的进攻，可以多少减轻德军对斯大林格勒城区的压力，拖延德军向前推进的速度。然而，当得知近卫第1集团军受阻的消息后，斯大林立刻向朱可夫签发了一封急电：
斯大林格勒的形势已经恶化。敌人距斯大林格勒只有几俄里，如果北部集团各部队不立即援助，斯大林格勒可能在今天或明天被攻占。应要求位于斯大林格勒以北和西北的各部队司令员立即突击敌人和援助斯大林格勒的军民。不得有任何迟延。现在迟延就等于犯罪。应将全部飞机都用于援助斯大林格勒。
电文中所说的“北部集团”，指的是预定集结在斯大林格勒以北和西北的3个集团军，即新编入斯大林格勒的近卫第1集团军、第24、第66集团军。这3个集团军的进攻行动是在朱可夫动身来此地之前，斯大林与他商定的。对于这种有约在先、而且又是最高统帅斯大林亲自下达的命令，一般的将领都会毫无条件地照办执行的。但是，朱可夫是个既服从军事命令又不盲从、既敬佩斯大林又敢于发表自己意见的极有个性的将军。只要他认为合理的，他会坚决服从执行，只要他认为不合理的或欠周密的，他就会据理力争或敢于陈述己见。在苏联高级指挥将领中，朱可夫是为数不多的敢于顶撞斯大林的人之一。
看完斯大林的电报，朱可夫大将当即给斯大林打电话报告说：
“我可以下命令明天一早就发起进攻。但是3个集团军的所有部队不得不在几乎没有弹药的情况下投入战斗，因为最早要到明天黄昏才能把弹药送到炮兵阵地上。”朱可夫接着说道：
“在明天黄昏以前，我们不可能组织好步兵部队与炮兵、坦克部队与航空兵的协同动作，而没有协同动作我们的进攻将一事无成。”
斯大林不满地反问朱可夫：
“你是不是以为敌人会等你慢慢腾腾地准备好了之后再来进攻？你把敌人想得不是太幼稚了，就是太仁慈了！叶廖缅科刚才告诉我，他敢肯定，如果你们不立即从北面实施进攻，敌人只要用一次猛攻就可以拿下斯大林格勒。这一攻击可能就在明天，如果真是这样，你后天的进攻就毫无意义了。”
朱可夫明确表示不同意叶廖缅科的看法，他请求斯大林准予9月5日发起进攻。发起进攻之前，航空兵将全力轰炸敌人。
斯大林与丘吉尔亲切交谈。斯大林停顿了一会儿说道：
“那好吧，既然你如此肯定，就在9月5日发起进攻吧。不过，你要记住，如果敌人对市区发起猛攻，你必须不等部队准备好就迅速向敌人出击。你的任务是把德国强盗从斯大林格勒引开，引开得越多越好。还有，如果办得到，还应消除德军直通伏尔加河的那条通路。祝你成功，再见。”
9月5日，拂晓以前，如同朱可夫估计的那样，德军并没有对斯大林格勒采取大的行动。按朱可夫制定、斯大林批准的计划，9月5日清晨，苏军炮兵和航空兵向德军实施了猛烈的打击，而后步兵向德军部队发起攻击。经过一天的交战，由于德军的阻击非常顽强，苏军的进展不大。然而，苏军的这次大规模反击，迫使德军把大量坦克、炮兵和摩托化部队从斯大林格勒附近调向北方对付朱可夫的反击，从而减缓了德军进攻斯大林格勒的速度。
9月6日，双方战斗更为激烈。在以后的几天交战中，双方主要采用了炮火对射和空中轰炸，形成僵持局面。9月10日，朱可夫大将再次巡视了各集团军的部队，加之对近日来局势变化的分析，得出了这样的结论：在目前这种状况下，苏军依然在斯大林格勒地区浴血奋战，只会不断消耗兵力兵器，不可能突破敌人的战斗队形并消除通往伏尔加河的通路，也无法与东南方面军的部队在斯大林格勒市区会合。
德军攻占斯大林格勒市区的战斗从9月13日拉开战幕，到11月18日结束，历时两个多月。德军用在斯大林格勒方向上的兵力有50多个师，其中用来直接进攻市区的有13个师，共17万人。德军拥有500辆坦克、1，700门大炮和迫击炮。而苏军的斯大林格勒方面军和东南方面军合起来虽然有120个师，但人员编制严重缺额，许多师只有编制人员的20％～25％，有的师只有800人。自从苏军两个方面军在斯大林格勒以西接近地上的防线被德军第14坦克军切断联系之后，防守斯大林格勒城区的重任便落在了东南方面军所属的第62、64集团军肩上。两个集团军的防线由北至南连绵65公里，其中第62集团军的防线近40公里。这40公里几乎包括了整个斯大林格勒城区，是德军的主要突击方向。因此可以说，能否守住斯大林格勒城，关键在于第62集团军。
第62集团军自从投入顿河大弯曲部的交战以来，已经苦战了两个多月，承受了德军的巨大压力。集团军各部从顿河到伏尔加河且战且退，虽然消耗、杀伤了大量德军，但本身损失也很大。退到斯大林格勒城下的时候，整个集团军只剩5万多人，900门左右的大炮和追击炮，110辆坦克。而且德军不仅在兵力、兵器上占优势，而且拥有制空权。这样，第62集团军的压力和处境就可想而知了。
9月13～15日，交战双方打得都很困难。争夺市区的激烈战斗达到白热化的程度。斯大林格勒市的每一条街道和每一个广场都变成了激烈的战场，有些重要据点被反复地争夺，比如第一火车站的争夺战就持续了一个星期，前后13次易手。
德军孤注一掷，一步步疯狂地逼近市中心。苏军虽然英勇抵抗，但毕竟在兵力兵器和空中都不占优势，似乎有些支持不住了。然而，由于苏军在斯大林格勒市人民群众的积极支援和有力配合下，战斗意志无比坚强。德军每向前推进一步，都会受到顽强的阻击，都要付出沉重的代价。
战前，德军对苏军在斯大林格勒的兵力、兵器不屑一顾，当他们受到意想不到的沉重打击之后，加之疲惫不堪，恐惧和悲观情绪逐渐蔓延起来。然而，希特勒一心想占领斯大林格勒，根本不顾士兵的死活。
正当苏军面临着艰巨困难的时候，近卫第13师渡过了伏尔加河进入了斯大林格勒市区。近卫第13师一进入战场，即刻向德军发起了反冲击，夺回了一些重要据点，缓解了苏军在战场上的危急形势。
近卫第13师的出现，更加鼓舞了苏军的斗志和士气，也增加了德军的恐惧和悲观情绪。然而，战斗仍然处于相持不下的状态。为了加强各自的力量，苏德双方都在抓紧时间调兵遣将。9月底和10月初，苏军又有6个步兵师和1个坦克旅调到斯大林格勒市区。德军调来了20万人的增援部队，以及拥有上千门大炮的90个炮兵营和40个受过攻城专门训练的工兵营。
就在双方各自调整力量准备决一死战的时候，朱可夫和华西列夫斯基乘飞机在伏尔加一顿河地区与莫斯科之间来来去去，同斯大林进行磋商，到制订计划的最后一个阶段还在向前线司令员们吹风。根据这一计划，在大约60天的时间里，在斯大林格勒一顿河地区集中了100万军队，13，500门火炮和迫击炮，300多组火箭炮，1，100架飞机。这是计划和组织工作的出色成就，每一阶段都是在斯大林的积极直接指挥下由朱可夫和华西列夫斯基贯彻执行。
斯大林亲自掌握着空军的编组和后备力量。所有的前线航空兵部队都在1942年初夏从集团军调给了方面军。前线航空兵的部队渐渐地结合成为担负特殊空中突击的力量，监督这些作战行动的大本营代表每天亲自向斯大林汇报。最高统帅部的空军预备队起初很有限，但斯大林用心地把它们扩充起来。空军副总司令尼基京写道，斯大林经常检查飞机的生产，“每天在他的笔记本上记下”新飞机的交货数量。他亲自给空军部队调拨装备。他看到了德国空军的威力，因此对于斯大林格勒攻势中的空中支援给予了最高程度的重视。直到行动开始前5天，他还认为，如果空军力量仍不足。就暂时不要采取行动。
1944年1月，苏军对列宁格勒地区的德军实施了打击。朱可夫和华西列夫斯基的任务是协调各方面军的进攻。1942年11月17日，斯大林又把朱可夫撤回，派他去准备由加里宁方面军和西方方面军在北面担负的攻势，其目的在于防止德军中央集团军群抽出部队去增援在斯大林格勒的保卢斯和南边的曼施坦因。
华西列夫斯基一人担负起协调斯大林格勒3个方面军的重担。11月17日，当他在电话中向斯大林作每天的汇报时，斯大林命令他立即回莫斯科，这使他感到意外。斯大林收到了第4机械化军军长沃尔斯基的一封亲笔信，他认为“这一计划是不现实的，注定要失败”。沃尔斯基曾指挥过骑兵第37团，是个出名的和受尊敬的人。斯大林要华西列夫斯基发表意见。他坚定地回答说，这次攻势计划周密，应当发动。斯大林立即给沃尔斯基打电话，斯大林并没有解除他的职务，也没有训斥他信心不足，而是以和气的口吻消除他的疑虑。接着斯大林告诉华西列夫斯基不必把此事放在心上。沃尔斯基表现出色，后来被任命为近卫坦克第5集团军的司令员。
斯大林经常把华西列夫斯基派往前线，这就使得总参谋长的繁重责任变得更加复杂。华西列夫斯基试图找一个助手，但这却特别困难。1942年5月，他提议把当时在西北方面军任参谋长的瓦图金调回莫斯科。但不久以后。瓦图金就被任命为沃罗涅日方面军的司令员。
华西列夫斯基又重新物色人选，最后他选择了安东诺夫。安东诺夫曾在沙皇军队中当过下级军官，此时他担任北高加索方面军的参谋长。朱可夫后来把他说成是：“一位能干无比的将军，一个很有文化和魅力的人。”斯大林同意了这一任命。起初，安东诺夫被派往沃罗涅日方面军担任最高统帅部的副代表。他在那里表现出色，3个月后回到莫斯科任副总参谋长。
11月19日上午，瓦杜丁和罗科索夫斯基从北边发动进攻。第二天，在由于浓雾而推迟了几个小时以后，叶廖缅科从西边发动进攻。11月23日，他们已在卡拉契附近会师，合围了德军第6集团，还有第4装甲集团军的一个军。
斯大林立即指示华西列夫斯基集中力量开始实施新的作战计划，这是对被围困在斯大林格勒的敌人再加上一层合围圈的大胆攻势。然后，苏军按照这一计划将要占领顿河一顿涅茨走廊内的全部地区，这样，在苏军掌握了罗斯托夫以后，在高加索的德军的退路就被封闭了。
两天后，华西列夫斯基从西南方面军用电话直接向斯大林报告，要求加强沃罗涅日方面军和西南方面军以防德军反击。他要求的援军数量虽然很大，但斯大林还是同意了他的请求。斯大林指示华西列夫斯基把力量集中于顿河方面军和斯大林格勒方面军。瓦杜丁继续负责奇尔以北的外层合围圈，叶廖缅科则负责合围圈的其余地区。
德国人在南边匆忙重新组织他们的力量，建立了顿河集团军群，由陆军元帅曼施坦因指挥。他以巧妙的战术一直打到接近保卢斯线25英里的地方。保卢斯没有能够突围出去与他会师，也许是因为希特勒已命令他坚守阵地。苏军以顽强的战斗阻止了德军的前进。12月24日，一次反攻（斯大林于12月19日批准了这次反攻）把曼施坦因赶回到科捷尔尼科沃，并且更向东南驱赶了60英里。曼施坦因最终不得不放弃了给保卢斯解围的努力。他集中力量防守罗斯托夫与塔曼之间的空隙，以便让高加索和库班的德军部队能够撤退。
在西边，苏军新的作战计划因曼施坦因的进攻而作了部分修改，而且取得了成功。苏军在短短的5天里就前进了150英里。在北边，朱可夫协调指挥的进攻迫使敌人退出了维亚济马突出部，并把封锁列宁格勒的敌军阵线打开了一个7英里宽的缺口。
在12月底的一次国防委员会会议上，斯大林指出，目前我们只需要一个人来指挥最后消灭合围在斯大林格勒附近的敌军的战斗，而现在有两个方面军司令员。“应该由谁来担当这项使命呢？”他征求出席会议的人的意见说。有人建议应当由罗科索夫斯基担任。斯大林转身问朱可夫，朱可夫回答说，两位司令员都合适，但如果让罗科索夫斯基来担当此项任务，叶廖缅科一定会感到非常难过。
“现在不是难过的时候，”斯大林简单地说，并叫朱可夫把决定告诉叶寥缅科。听到这一消息后，叶廖缅科感到痛心至极，他试图给斯大林打电话，但波斯克烈贝舍夫对他说，他得找朱可夫。最后朱可夫试图代为说情。“斯大林很不高兴，并说应当立即命令让罗科索夫斯基来指挥斯大林格勒方面军的3个集团军。”命令于12月30日发出。