到9月底，战斗重心转移到北部工厂区。
10月4日，德军占领了“红十月”和“街垒”工厂的住宅区。
针对这种形势，斯大林于10月5日指示斯大林格勒方面军1942年9月28日，斯大林格勒方面军改称顿河方面军，由罗科索夫斯基指挥，东南方面军改称斯大林格勒方面军，由叶廖缅科指挥。
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2.斯大林格勒铺满了尸体和血(5)
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，要坚决守住斯大林格勒。
但守卫市区的第62集团军损失很大，只有55万人、1400门大炮和迫击炮、80辆坦克。
支援它的飞机也仅有190架。
因此，9月底和10月初，苏军有6个步兵师和一个坦克旅渡河去加强第62集团军。
敌人也向斯大林格勒增兵。
到10月上旬，与第62集团军对峙的德国主要突击部队就有8个师。
约9万人，配有2300门大炮和迫击炮、约300辆坦克。
支援他们的飞机有1000架。
于是，两军展开了争夺三大工厂(拖拉机厂、“街垒”和“红十月”)的血战。
10月4日，德军出动5个师猛攻工厂区，并派出飞机两千多架次狂轰滥炸。
苏军拼死抵抗，拖拉机厂的工人队伍也英勇参战，终因寡不敌众，敌人于5日傍晚占领了拖拉机厂，并从这里突进到伏尔加河岸。
戈罗霍夫上校指挥的一支苏军部队被孤立在斯大林格勒东北角的雷诺克地区。
这支孤军奋勇死守，直到最后胜利。
为了削弱德军对市区的压力，10月19日，顿河方面军突击集群从斯大林格勒北面转入进攻。
25日，第64集团军从南边对敌军进行反突击。
两军的进攻缓解了第62集团军的困难处境，并粉碎了敌人占领斯大林格勒的企图。
11月初，德军几次妄图消灭市区各个防御点，但都未能得逞。
第62集团军主力牢牢地守住“红十月”工厂区和狭长的沿河地带，第138师捍卫着“街垒”工厂东部。
这一阵势一直保持到大反攻时。
在斯大林格勒大血战中，战斗总是持续不断，时而紧张激烈，时而趋于缓和，但从未停止过。
敌人多次发起冲击，先后达700多次。
苏军各部队、分队一边防御，一边利用一切可能的时机实施反突击。
在整个战役期间，交战双方的炮兵、航空兵和坦克兵的活动十分频繁。
在保卫市区的68天(9月13日至11月18日)中，除火炮、坦克和小口径炮发射的炮弹外，德炮兵还发射了90万发大炮和迫击炮弹。
德国飞机对苏军进行了疯狂轰炸，每天大约有1000至1500架次，有时甚至出动2000架次进行攻击。
在斯大林格勒方面军的每一平方公里上，敌人消耗的各类炮弹和炸弹平均达76万多枚。
尽管如此，德军始终未能完全占领斯大林格勒。
从7月到11月期间，敌人在顿河、伏尔加河地区和斯大林格勒的交战中，损失近70万人。
德军在伏尔加河地区总的战役态势也复杂化了。
没有师和军的预备队。
在“b”集团军群两翼上是战斗力不强的罗马尼亚、意大利和匈牙利军队，他们已开始看出毫无前途的岌岌可危的处境。
就是在这种形势下，苏军最高统帅部准备好了在斯大林格勒地区的大反攻。
由于苏联共产党和政府的坚强领导，军工生产有了显著增长。
1942年下半年，苏联生产73400门大炮和迫击炮，13268辆坦克，15692架飞机，以及数以万计的轻武器。
此外，美英也给予苏联一些援助。
这就为苏军的反攻创造了物质条件。
大反攻开始时，在斯大林格勒方向上，德军及其仆从国军队组成的“b”集团军群共有80个师，3个旅，总计100万人，拥有大炮和迫击炮10290门，坦克675辆，飞机1216架。
盘踞在斯大林格勒市区和市郊外围一带的是敌军主力——德第6集团军和第4坦克集团军。
掩护其南翼的是罗马尼亚第4集团军；掩护其北翼的是罗马尼亚第3集团军、意大利第8集团军、匈牙利第2集团军以及德国第2集团军。
在斯大林格勒方向上，苏军的3个方面军除原有的斯大林格勒和顿河方面军以外，10月底又组建了西南方面军，司令员是瓦杜丁。
共有110万人，15500门大炮，1463辆坦克和强击火炮，1350架作战飞机。
在兵力和武器对比上，苏军已占优势。
苏军的最后反攻计划是由朱可夫和华西列夫斯基签署，最高统帅斯大林批准的。
其主要内容是：西南方面军由顿河右岸谢腊菲莫维奇和克列茨卡亚地域的登陆场实施强有力的深远突击。
斯大林格勒方面军由萨尔帕地域进攻。
两军的突击集团在卡拉奇、苏维埃斯基地域会合，从而完成对斯大林格勒附近德军主力的合围，然后消灭敌人。
到11月17日，反攻的全部准备工作都已完成，而且保密工作做得特别好，敌人还茫然无知。
根据战略性战役任务的特点，这次战役大致可分为三个小阶段：1突破防御，粉碎敌军侧翼集团，合围德第6集团军和第4坦克集团军的部分兵力；2粉碎敌军解围企图，扩大苏军反攻战果；3最终歼灭被围的德军。
1942年11月19日晨，在斯大林格勒的西北面，苏联西南方面军的两千门大炮同时怒吼。
接着，苏军两路分别从谢腊菲莫维奇和克列茨卡亚出发，向罗马尼亚第3集团军阵地冲击。
敌军惊慌失措，开始瓦解。
22日凌晨，在夜幕掩护下，由当地居民古谢夫做向导，苏军在卡拉奇市西北面占领了顿河上的一座大桥，大批地渡河。
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2.斯大林格勒铺满了尸体和血(6)
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经过激战后，于23日占领卡拉奇。
11月20日拂晓，斯大林格勒方面军从该市以南发起进攻，突破罗马尼亚第4集团军的防线，向西北迅猛推进，于23日在卡拉奇、苏维埃斯基与西南方面军会师。
这样便把德国第6集团军全部和第4集团军一部，总共22个师和160多个专业部队包围了起来。
同时，守卫斯大林格勒正北面的顿河方面军,也在顿河——伏尔加河之间发动进攻，打击被围之敌。
11月23日，反攻第一阶段顺利完成。
就在11月23日晚上，德第6集团军司令鲍留斯知道自己处境不妙，请求希特勒准予自由行动，以便突围。
希特勒答复说：“第6集团军被俄国人合围……
集团军官兵可以相信，我将尽一切力量保证集团军的正常供应，并给它及时解围……”
德国空军司令戈林也做出同样的保证。
为了给被围的德军解围，为了在斯大林格勒地域恢复原来的态势，希特勒统帅部在这个战线的西南地段迅速建立了“顿河”集团军群。
其编制包括顿河中游以南直至阿斯特拉罕草原所有的德军，以及被围的德军。
此外，希特勒还从德、法和苏德战场各地调去几个师。
冯·曼施泰因元帅被任命为“顿河”集团军群司令，为鲍留斯解围。
曼施泰因迅速建立起两个强大的战役集群：一在科捷利尼科夫斯基地区，一在托尔莫辛地区。
12月12日，德军集结大量兵力，从科捷利尼斯基向斯大林格勒进攻，挫败了第51集团军的抵抗，进抵阿克赛河。
19日渡河北上，前出梅什科瓦河，离被围的德军只有35至40公里。
曼施泰因原来打算在这支援军前出梅什科瓦河时，第二战役集群就要从托尔莫辛出击。
但在12月16日前线情况急剧变化：苏西南方面军和沃罗涅什方面军左翼从顿河中游发动强大攻势，挥戈东南，直指米列罗沃和莫罗左夫斯克。
苏军在奇尔河和顿河摧毁敌军的抵抗，打垮了意大利第8集团军和罗马尼亚第3集团军，重创德军6个师。
12月24日，苏军进抵莫罗左夫斯克，开始威胁德“顿河”集团军群的左翼和后方。
为了阻挡西南方面军的进攻，德军把准备用于托尔莫辛集群的好几个师都投入战斗，12月24日终于顶住了苏军的进攻。
就在这时，根据苏联最高统帅部的命令，第二近卫集团军火速南下，开赴梅什科瓦河。
12月19日，该部前出梅什科瓦河，并立即投入战斗。
他们和第51集团军协同作战，沉重地打击了进攻之敌，挡住了德军。
12月24日，苏军第二近卫集团军、第51集团军、第5突击集团军等部队，从梅什科瓦河发动决定性攻势，摧毁德军抵抗，迅猛前进。
25日，苏军先头部队到达阿克赛河，德军坦克部队慌忙退到河的南岸。
苏军迅速进抵科捷利尼科夫斯基，29日占领该城。
科捷利尼科夫斯基战役集群被歼，其残部退往罗斯托夫。
苏军包围圈的正面与被围德军相距约200公里。
这样一来，希特勒的解围计划彻底破产，被围德军已成瓮中之鳖，注定了覆灭的命运。
反攻的第二阶段到此完成。
由于苏军情报部门的失误，苏军对被围的德军力量估计过低，犯了严重错误。
苏军原来判定，德军只有85万至9万人，所以准备在行进中歼灭被围之敌。
但后来查明，德军实际上有30多万人，拥有相应的技术兵器，特别是火炮和坦克。