13 сентября гитлеровцы начали наступление на центральную часть Сталинграда. На защитников города обрушился мощный удар двух вражеских группировок. Первая из них имела в своем составе 100 танков, вторая — 250. Их действия поддерживались массированными ударами авиации.
Несмотря на героическое сопротивление воинов 62-й армии, к исходу первого дня фашистам все же удалось продвинуться на север — к западным окраинам поселков заводов «Баррикады» и «Красный Октябрь», а на юге — овладеть станцией Садовая и подойти к западной окраине пригорода Минина. Командный пункт и штаб 62-й армии располагались в центре города на Мамаевом кургане, всего в 3 км от врага, и в течение всего дня находились под вражеским огнем. В ночь на 14 сентября командный пункт армии был перенесен в штольню на северном берегу реки Царица, где ранее располагался командный пункт Юго-Восточного и Сталинградского фронтов. На Мамаевом кургане был оставлен только наблюдательный армейский пункт. Командный пункт генерала А. И. Еременко, руководившего действиями двух фронтов, был перенесен за Волгу.
В обстановке начавшегося штурма Сталинграда генерал А. И. Еременко принял решение нанести контрудары войсками 62-й и 64-й армий по вклинившемуся противнику. Для поддержки намечаемых контрударов привлекалась фронтовая артиллерийская группа, насчитывавшая в своем составе шесть артиллерийских и минометных полков. Было решено также использовать для разгрома вклинившихся сил врага артиллерию 2-го танкового корпуса, развернутого на левом берегу Волги, зенитную артиллерию Сталинградского корпусного района ПВО страны и артиллерию Волжской военной флотилии.
В распоряжение командующего 62-й армией генерала В. И. Чуйкова, по которой противник наносил главный удар, была передана прибывшая из резерва Ставки 13-я гвардейская ордена Ленина стрелковая дивизия под командованием Героя Советского Союза генерала А. И. Родимцева. Это прославившееся в тяжелых боях зимой 1941/42 г. соединение в ночь на II сентября совершило стремительный марш по заволжской степи на автомашинах из района Камышина в район Средней Ахтубы, где оно доукомплектовывалось.
Войдя в состав 62-й армии, 13-я дивизия получила от командарма задачу к 19 часам 14 сентября скрытно и в расчлененных порядках сосредоточиться в поселке Красная Слобода (напротив центральной части Сталинграда) для переправы на правый берег. В это время гитлеровцы продолжали попытки прорваться в город. К 17 часам группа вражеских автоматчиков, поддержанная танками, прорвалась в район вокзала Сталинград-1. В создавшейся обстановке 13-й дивизии было приказано к трем часам ночи на 15 сентября переправиться через реку на правый берег и нанести удар по врагу, прорвавшемуся в центр Сталинграда. Сложность выполнения задачи заключалась в том, что времени было мало, войска должны были переправиться вместе с боевой техникой ночью под прицельным огнем врага.
Вспоминая события этого дня обороны Сталинграда, Маршал Советского Союза В. И. Чуйков пишет о той тревоге, которая владела им, когда он ставил боевую задачу генералу А. И. Родимцеву: «Сумеют ли бойцы и командиры выполнить задачи, которые казались выше сил человеческих? Если не выполнят, то свежая 13-я гвардейская стрелковая дивизия может оказаться на левом берегу Волги в роли свидетеля печальной трагедии».
Гвардейцы справились с этой задачей. Под прикрытием передового отряда (один усиленный стрелковый батальон) и своей артиллерии 13-я дивизия за две ночи —15 и 16 сентября — переправилась в Сталинград. Переправа главных сил дивизии осуществлялась средствами Волжской военной флотилии и понтонных батальонов — на катерах, буксирах, баржах и даже на рыбачьих лодках. Движение этих больших и малых судов через широкую с сильным течением Волгу происходило под непрекращавшимся пулеметным, минометным и артиллерийским обстрелом и под бомбежкой с воздуха. В течение первой ночи в Сталинград переправилось свыше 6 тыс. человек. Подразделения дивизии с ходу вступали в бой, атакуя прорвавшегося в город врага. К исходу дня 15 сентября 13-я дивизия очистила от гитлеровцев район города восточнее железной дороги; два стрелковых батальона продвинулись до Мамаева кургана.
Быстрая переброска дивизии на правый берег и смелые действия ее воинов позволили 62-й армии ликвидировать попытку врага прорваться к Волге в центре Сталинграда.
О героических делах защитников города в критические сентябрьские дни обороны Сталинграда Маршал Советского Союза Г. К. Жуков в мемуарах писал: «13, 14, 15 сентября для сталинградцев были тяжелыми, слишком тяжелыми днями. Противник, не считаясь ни с чем, шаг за шагом прорывался через развалины города все ближе и ближе к Волге. Казалось, вот-вот не выдержат люди. Но стоило врагу броситься вперед, как наши славные бойцы 62-й и 64-й армий в упор расстреливали его. Руины города стали крепостью. Однако сил с каждым часом оставалось все меньше.
Перелом в эти тяжелые дни и, как временами казалось, последние часы был создан 13-й гвардейской дивизией А. И. Родимцева... Ее удар был совершенно неожиданным для врага. 16 сентября дивизия А. И. Родимцева отбила Мамаев курган. Помогли сталинградцам удары авиации под командованием А. Е. Голованова и С. И. Руденко, а также атаки и артиллерийские обстрелы с севера войск Сталинградского фронта по частям 8-го армейского корпуса немцев».
Несмотря на стойкость и массовый героизм, проявленные войсками Юго-Восточного фронта, гитлеровцам все же удалось прорваться к Волге на стыке 62-й и 64-й армий в районе Купоросное. Прорыв противника крайне осложнил положение войск 62-й армии, которые оказались изолированными от остальных сил фронта. Однако воины армии продолжали мужественно сражаться с врагом. 16 и 17 сентября особенно напряженные бои шли в районах Мамаева кургана и вокзала Сталинград-1. Фашистская авиация наносила по защитникам города массированные удары группами по 50—60 самолетов.
17 сентября на усиление 62-й армии была передана прибывшая из резерва Ставки 92-я стрелковая бригада. Из состава 2-го танкового корпуса, занимавшего позиции на левом берегу Волги, в армию была направлена 137-я танковая бригада, которую было приказано использовать в районе Мамаева кургана. Ставка продолжала усиливать Юго-Восточный фронт своими резервами и в последующие дни. В район сражения начали прибывать 193-я стрелковая дивизия генерала Ф.Н.Смехотворова и 284-я стрелковая дивизия полковника Н. Ф. Батюка, составившие резерв командующего фронтом.
По мере усиления войск 62-й и 64-й армий и совершенствования обороны сопротивление врагу в городе и на окраинах Сталинграда непрерывно возрастало. В результате напряженных боев противник смог овладеть лишь небольшой частью города севернее реки Царица.
Огромную помощь защитникам города оказывали воины 1-й гвардейской, 24-й и 66-й армий Сталинградского фронта. В тяжелые сентябрьские дни 1942 г. они вели наступательные действия севернее Сталинграда, стремясь разгромить противника в районе поселка Рынок и соединиться с войсками 62-й армии, а главное — оттянуть на себя как можно больше сил врага.
Еще в первой декаде сентября советские войска, стоявшие к северу от Сталинграда, нанесли удары по врагу, прорвавшемуся севернее города. Основной ударной силой Сталинградского фронта в то время была 1-я гвардейская армия. Она вплоть до 5 сентября, пока две другие армии — 66-я и 24-я — заканчивали сосредоточение, была вынуждена атаковать врага в одиночку, причем ослабленными в боях соединениями. Но этого требовала обстановка. В эти дни Верховный Главнокомандующий И. В. Сталин дал указания находившемуся в то время на командном пункте 1-й гвардейской армии своему заместителю, генералу Г. К. Жукову: «Если противник начнет общее наступление на город, немедля атакуйте его, не дожидаясь окончательной готовности войск».
Наступавшие войска продвигались медленно, встречая упорное сопротивление врага. Гитлеровское командование понимало, каковы могли быть последствия прорыва советских войск с севера, и продолжало уплотнять здесь боевые порядки.
В обстановке тяжелых кровопролитных боев воины 1-й гвардейской, 66-й и 24-й армий буквально прогрызали сильную вражескую оборону, проявляя беззаветную храбрость и героизм. Участник этих боев главный маршал бронетанковых войск П. А. Ротмистров, командовавший в то время 7-м танковым корпусом, пишет: «За семь дней ожесточенных боев... части корпуса продвинулись всего на четыре километра. Эти немногие километры и для нас, и для врагов были поистине полем смерти.
В боях весь личный состав сражался самоотверженно, не щадя себя». Настойчиво выполняя боевые задачи, корпус причинял врагу большой урон, но сам нес значительные потери. Так, с 3 по 10 сентября он потерял около 400 человек убитыми и ранеными, а гитлеровцы за это время оставили на поле сражения в полосе корпуса тысячу убитых солдат и офицеров.