8月29日，朱可夫由莫斯科中央机场起飞，4小时后已出现在伏尔加河畔卡梅申地域的野战帐篷中了。华西列夫斯基迎接了朱可夫，并当场给他介绍了最新情况。经过简短交谈后，他们便驱车前往设在小伊万诺夫卡的斯大林格勒方面军司令部。大约12点，他们抵达方面军司令部。戈尔多夫中将也在前沿阵地上。参谋长尼基舍夫和作战部长鲁赫列汇报了情况。从其汇报中听得出，他们并不完全相信在斯大林格勒地域能阻止住敌人。
朱可夫给近卫第1集团司令部打了电话，当时戈尔多夫在那里。朱可夫让他在莫斯卡连科集团军司令员的司令部等候。朱可夫和华西列夫斯基在近卫第1集团军指挥所里遇到了戈尔多夫和莫斯卡连科。他们的汇报和言谈举止使朱可夫和华西列夫斯基很高兴，因为他们既对敌人的力量了如指掌，又对己方的能力心中有数。四人共同讨论了情况，一致认为，正在集中的各集团军部队直到9月6日才能做好反突击的准备。朱可夫由该处通过高频电话向斯大林作了汇报。斯大林听取汇报后未表示异议。华西列夫斯基奉命于9月1日飞离斯大林格勒，返回莫斯科。
苏军最高统帅部规定9月2日为近卫第1集团军实施反突击的时间。但实际情况是，编入该军的部队缺乏燃料，途中延迟了，直至9月2日晨尚未进入出发地域。朱可夫根据集团军司令员莫斯卡连科的请求，将实施冲击的时间改为9月3日，并报告了最高统帅部：
“近卫第1集团军未能于9月2日转入进攻，因为该集团军的部队没有来得及进入出发地位，没有来得及前送弹药、燃料和组织战斗。为了不致使部队无组织地进入战斗和因此而遭受无谓的损失，经过我在现地亲自检查后，将进攻时间改在9月3日5时。”
“第24和66集团军的进攻时间，我规定在9月5～6日。现全体指挥人员正在详细研究任务，我们也正在采取战役的物质保障措施……”
9月3日晨，经过炮火准备后，苏军近卫第1集团军的部队转入进攻，但在斯大林格勒只前进了数公里，给敌人造成的损失不大。由于遭到敌航空兵不间断的突击和敌坦克与步兵在炮火支援下由斯大林格勒所实施的反冲击，近卫第1集团军继续前进受阻。
同日，朱可夫收到了斯大林签署的一份电报：
“斯大林格勒的形势恶化了。敌人距斯大林格勒3俄里。如果北部集团部队不立即援助，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。不得有任何延迟。现在延迟无异于犯罪。应将全部飞机都用于援助斯大林格勒。斯大林格勒剩下的飞机已经很少了。”
朱可夫当即给斯大林打电话报告：
“我可以下令在明天一早就发起进攻，但所有3个集团军的部队将不得不在没有弹药的情况下开始战斗，因为最早要到9月4日黄昏才能把弹药送到炮兵阵地上。此外，在9月4日黄昏之前，我们不可能组织好各部队与炮兵、坦克和航空兵的协同动作，而没有协同动作，是什么也搞不成的。”
斯大林开始发火了，在电话中的声音越来越大：
“你是不是认为敌人会等你慢腾腾地弄好了再干？……叶廖缅科断定，如果你们不立即由北面实施突击，敌人只要用第一次猛攻就可以拿下斯大林格勒。”
朱可夫仍沉着镇定，从容作答：
“我不同意这个观点。请求准予按原定时间5日发起进攻。至于航空兵，我现在就下令全力轰击敌人。”
“那好吧！如果敌人对市区发起总攻时，你们应不待部队做好准备就迅速向敌人冲击。你的主要任务是把德寇的兵力由斯大林格勒引开，如果办得到，不应消除隔开斯大林格勒方面军和东南方面军的德军走廊。”斯大林终于冷静下来，最后拍了板。
9月5日早晨之前，正如朱可夫预测的那样，斯大林格勒附近并没有什么特殊的事件发生。9月5日凌晨3时，斯大林打电话给马林科夫询问斯大林格勒方面军部队完成转入进攻的准备情况。当他确信他的命令正在贯彻时，就没有再让朱可夫听电话。
9月5日拂晓，在第24集团军、近卫第1集团军和第66集团军的全正面上开始了炮火和航空火力准备，但甚至在各集团军的主要突击方向上，炮火的密度也不大，致使没有取得必要的效果。待“喀秋莎”齐射后，发起了冲击。朱可夫就在近卫第1集团军司令员的指挥所里进行观察。从德军抗击苏军冲击部队的火力强度来看，显然，苏军炮火准备没有达到应有的效果，致使苏军进攻部队不可能推进很远。
约一个半到两个小时后，德军在很多地段上以火力阻止了苏军的前进，并以步兵和坦克实施反冲击。苏军通过航空侦察查明，德军大量的坦克、炮兵和摩托化步兵集群正由左姆拉克、奥尔洛夫卡、大罗索什卡地域向北移动。德军航空兵开始轰炸苏军战斗队形。下午，德军新的部队进入战斗并在某些地段上将苏军挤回到出发地区。持续了一整天的火力战到傍晚时分几乎沉寂。苏军近卫第1集团军通过激烈交战才前进了2～4公里，而第24集团军几乎仍在出发阵地上。
苏军利用傍晚时分给部队补充了炮弹、迫击炮弹和其他弹药。根据昼间战斗中查明的敌情，朱可夫和马林科夫等决定，在夜间作好新的冲击准备，并在可能范围内对兵力兵器部署作必要变更。
天黑以后，斯大林给朱可夫打来电话：
“情况怎么样？”
“整整一天都进行了艰苦的交战。敌人被迫由左姆拉克地域向斯大林格勒以北调动新的部队投入战斗。”朱可夫报告说。
斯大林听后满意地笑了，说道：
“这就不错嘛，这可以把敌人的力量从斯大林格勒引开。”
“我军稍有进展，但在不少地方仍停留在出发地区。”朱可夫继续报告说。
斯大林开始有点不耐烦了，问道：
“怎么回事啊？”
“由于时间不够，我军没有来得及作好进攻准备，没有很好地进行炮兵侦察和查明敌人的火力配系，自然就不能将其压制住。当我军转入进攻时，敌人就以其火力和反冲击阻止我军进攻。此外，敌航空兵整天都在掌握着制空权，并对我军进行轰炸。”朱可夫回答道。
斯大林以强硬的口气命令说：
“继续冲击。你们的主要任务是把尽可能多的敌人调开斯大林格勒。”
翌日，战斗更加激烈。苏军航空兵于9月5日整个夜间对敌人实施了轰炸。除前线航空兵外，戈洛瓦诺夫将军指挥的远程航空兵也参加了轰炸。9月6日白天，斯大林格勒方面军再次发起冲击，但是，这次冲击又一次被德军击退了。9月6日这一天，德军由斯大林格勒地域调来新的部队。德军在许多制高点上设置了预伏坦克和强击火炮并可靠地组织了支撑点。只有使用威力强大的炮兵火力才能摧毁这些防御设施。而当时苏军的这种炮兵很少。
9月7日下午，斯大林格勒方面军作战部长鲁赫列找到朱可夫：
“最高统帅询问，要消灭敌人，我们的力量够不够？”
“要消灭敌人，斯大林格勒方面军现有的力量显然是不够的，必须补调1个集团军，而且要在最短期限内对敌实施更强大的突击……”朱可夫向斯大林作了答复。
但斯大林关于补调几个师的决定一直没有下达。交战的第3天和第4天，主要是各种火器对射和空战。
9月9日夜，在汇报各方面军的情况时，斯大林对苏军诸集团军在斯大林格勒以北裹足不前的情况极为不满，并对城市本身的局势更加严重而深感不安。
9月10日凌晨4时30分，斯大林格勒方面军所在方向处主任博伊科夫与该方面军作战部长鲁赫列进行联系，问道：
“集中兵力于近卫第1集团军的正面上突破敌人防御，以缓和斯大林格勒的局势，威胁敌军集团的一翼，尔后实施翼侧突击，效果不是更佳吗？”
鲁赫列回答说：
“进行任何兵力的变更部署都会浪费时间和减轻敌人的压力，要边进攻，边调整兵力部署。”
这样做了，但这次在极端紧张情况下实施的进攻又未获成功。
9月10日，苏军最高统帅部试图从北面实施突击，恢复同第62集团军的联系，又遭到了失败。
当日，朱可夫再次巡视各个集团军的部队和兵团后，最终坚决地认为，以现有的兵力和部署是不可能突破敌人的战斗队形并消除其走廊的。戈尔多夫、莫斯卡连科、马利诺夫斯基和科兹洛夫将军都表示了同样的看法。于是，朱可夫通过高频电话再次向斯大林作了汇报，斯大林希望朱可夫能当面汇报这些情况。
这时，***德军统帅部也没有完成夺取斯大林格勒这一主要任务。德军在这里的进攻停止了，而且，在苏德战线中央决定性方向上作战的是德军最有战斗力、装备和指挥精良的德军重兵集团，而在其两翼则是战斗力很差、装备不好的匈牙利集团军、意大利集团军和罗马尼亚集团军。高加索会战虽然在夺取领土上取得了明显的胜利，但并没有最后完成。对于希特勒军队来说，巴库和里海沿岸仍是可望而不可及。德军精锐兵团都陷在捷列夫和高加索山脉各山口上了。
9月11日，“Ｂ”集团军群司令冯·魏克斯和第6集团军司令保卢斯被召到文尼察附近的希特勒统帅部汇报斯大林格勒地域的情况。希特勒认为，总的讲，斯大林格勒的情况是十分有利的。他认为，夺取斯大林格勒只要10天就够了，并命令魏克斯和保卢斯于9月14或15日突击斯大林格勒。而将军们认为，这是不现实的，并提出了证实对斯大林格勒地域的德军存在着严重威胁的理由。保卢斯指出，斯大林格勒附近的德军战线是脆弱的，最大的危险就在于第6集团军的左翼，在那里作战的是意大利和德国其他盟国的军队。保卢斯认为，已有必要将德国兵团使用到同盟国军队的地段上，把这些德国兵团用作集团军群预备队。
9月中旬起，苏联武装力量大反攻的企图和计划的制定工作，在苏军最高统帅部领导下，同时在最高统帅部、总参谋部和方面军分别进行。结果，经过最高统帅部、总参谋部和各方面军军事委员会的共同工作，制定出了当时情况下最佳的歼敌斯大林格勒集团的方法。这次围歼战，胜过着名的坎尼战。
根据苏联战略领导的决定，除了建立直接包围的正面外，还建立了防止敌人统帅部从外面突破以解救其被围部队的对外正面。在地图上详细规定了这个对外正面的轮廓；对它所需兵力进行了周密的计算；特别注意确定了可能行动的地区。苏军总参谋部所制定的对德军第6集团军的包围，只是苏军在斯大林格勒胜利的开端。主要的是苏军尔后在苏德战线的南翼深入发展粉碎敌军的各进攻战役。
9月13日、14日、15日，对斯大林格勒保卫者来说，是极其艰难的日子。市区争夺战异常残酷。当时，德军用在斯大林格勒方向的兵力有50多个师，其中13个师直接投入市区的战斗。斯大林格勒方面军虽已拥有6个集团军，但各个师都严重缺员，有的师甚至仅有800人。防守市区的苏军仅9万人，但是，苏军士气高昂，为保卫神圣的国土，个个视死如归。德军从南、北、西三面包围了斯大林格勒，苏军的陆上交通完全被切断，伏尔加河成为支援这次会战的唯一运输线。敌人不顾一切，一步步通过市内的废墟，愈来愈逼近伏尔加河。似乎斯大林格勒保卫者要支持不住了。但是，只要敌人一向前推进，苏军第62和第64集团军的英勇无畏的战士就加以阻击。市内古老建筑物的废墟变成了堡垒。然而，兵力却在每时每刻都在减少着。在艰巨而且看来似乎是最后一刻的时候，罗季姆采夫的近卫第13师起了转折作用。该师一渡过伏尔加河进入斯大林格勒后，立即就对敌人实施反冲击。该师的突击完全出乎敌人的意料之外。9月16日，近卫第13师夺回了马马耶夫岗。
戈洛瓦诺夫和鲁坚科指挥的航空兵的突击，以及斯大林格勒方面军部队由北面对德寇第8军各部队所进行的冲击和炮击，援助了斯大林格勒的保卫者。斯大林格勒方面军向第24、近卫第1和第66集团军的官兵、空军第16集团军和远程航空兵的飞行员不惜一切牺牲，对东南方面军的第62和第64集团军固守斯大林格勒，给予了无可估价的帮助。尤需指出的是，如果没有斯大林格勒方面军部队顽强的反突击，如果没有航空兵的不断攻击，那么，斯大林格勒的情况可能还会更加恶化。
从9月中旬起，斯大林格勒全市的街道和广场都变成了激烈的战场。苏军浴血奋战，为争夺每一个街区、每一幢房屋，甚至为每一层楼或每一个房间，都要展开反复的残酷的战斗。后来甚至为争夺废墟而战。第1火车站在1周之内曾13次易手，战斗的激烈程度可见一斑。保卢斯集团军的一位德军军官写道：“我们军的各个部队在9月份抗击敌人企图由北面突破我斜切阵地的猛烈冲击时，也遭受了惨重的损失。在这个地段上的各个师虚弱不堪，一个连一般只剩下30～40人。”
9月底，斯大林又把朱可夫召回莫斯科研究更具体的反攻计划。这时，在东南方面军左翼各集团军研究反攻条件的华西列夫斯基也回到了莫斯科。去最高统帅部以前，朱可夫和华西列夫斯基会了面，以便交换意见。
在讨论斯大林格勒方面军地段的情况时，斯大林向朱可夫问道：
“你对戈尔多夫将军的看法如何？”
“戈尔多夫在作战方面是一位成熟的将军，但与参谋人员及指挥人员有点不和。”朱可夫汇报说。
“在这种情况下，应当任命另一位司令员担任方面军的领导。你看谁适合？”斯大林说。
朱可夫提名罗科索夫斯基中将为这个职务的候选人。华西列夫斯基支持朱可夫的意见。于是，当时斯大林做出决定：斯大林格勒方面军改称顿河方面军，东南方面军改称斯大林格勒方面军。顿河方面军司令员由罗科索夫斯基担任，其参谋长由马利宁担任。新组建的西南方面军司令员预定由瓦图京中将担任。决定以近卫第1集团军司令部为基本核心扩建成西南方面军司令部。该集团军司令员莫斯卡连科调任第40集团军司令员。
接着，斯大林、朱可夫和华西列夫斯基详细讨论了反攻战役的计划。之后，斯大林转过头来对朱可夫说：
“请飞回前线去。要采取各种措施，更多地消耗和疲惫敌人。要再去看一看计划中规定的预备队集中地域和西南方面军及斯大林格勒方面军右翼的出发地域，尤其在谢拉莫菲维奇和克得列茨卡亚地域。华西列夫斯基也应以同样的目的再去一次东南方面军的左翼，并在那里研究计划中规定的所有问题。”