Stalin prohibió la evacuación de civiles de la ciudad, creyendo que su presencia fomentaría una mayor resistencia por parte de los defensores. Los civiles, entre ellos mujeres y niños, fueron puestos a trabajar mejorando las fortificaciones protectoras y continuaron trabajando hasta el final en las fábricas de tractores convertidas en fábricas de tanques.
Un bombardeo aéreo masivo alemán el 23 de agosto provocó una verdadera tormenta de fuego, matando a miles de civiles y convirtiendo Stalingrado en un vasto paisaje de escombros y ruinas en llamas. El 80% del espacio habitable de la ciudad había sido destruido.
El compromiso inicial con la defensa de la ciudad recayó en el 1077.º Regimiento Antiaéreo, una unidad formada en su mayoría por jóvenes voluntarias sin ningún entrenamiento de objetivos de ataque terrestre. A pesar de esto, y sin el apoyo de otras unidades soviéticas, los artilleros antiaéreos permanecieron en sus puestos y rechazaron el avance de los panzer. La 16.ª División Panzer tuvo que luchar contra ellos hasta que las 37 baterías antiaéreas fueron destruidas.
A finales de agosto, las tropas alemanas llegaron al Volga, al norte de Stalingrado. Siguió otro avance hacia el río al sur de la ciudad. Los combatientes soviéticos se vieron así rodeados en la ciudad, apoyados por el Volga, a pesar de diversos medios implementados para circular por el río.
En la fase inicial, la defensa soviética se basó principalmente en "milicias obreras" compuestas por trabajadores indirectamente involucrados en la producción bélica. Los tanques continuaron siendo producidos y equipados por equipos de trabajadores voluntarios de la fábrica. Las máquinas fueron conducidas directamente desde la fábrica hasta la primera línea sin siquiera haber sido pintadas.
La ciudad pronto alcanzó un estado de destrucción casi total, bajo el fuego de los bombardeos alemanes. Los civiles han abandonado la ciudad. Entre los escombros, el 62.º ejército soviético formó líneas de defensa, con puntos fuertes ubicados en casas y fábricas. Los combates en la ciudad se volvieron feroces y desesperados. La Orden No. 227 de Stalin, conocida como "¡Ni un paso atrás!" del 28 de julio de 1942 decretó que cualquiera que huyera o se retirara de sus posiciones sin orden podría ser fusilado sumariamente. Pero los soviéticos realmente no necesitaban esta propaganda para comprender lo que estaba en juego en esta batalla y luchar heroicamente. Los alemanes que avanzaban hacia Stalingrado sufrieron mucho. Se embarcaron refuerzos soviéticos a través del río Volga desde la orilla oriental bajo constante bombardeo de artillería y Stukas. La esperanza de vida de un soldado soviético recién llegado a la ciudad se ha reducido a menos de veinticuatro horas.
La doctrina militar alemana se basó en el principio de equipos de armas combinadas que implicaban una estrecha colaboración de infantería, ingenieros y artillería con apoyo aéreo. Para contrarrestar esto, los comandantes soviéticos adoptaron una técnica simple:mantener siempre cerca las líneas del frente. Esto expuso a la infantería alemana al peligro de su propio fuego de apoyo, obligándola a limitar su uso.
