В южных районах города в эти дни вели бои войска 64-й армии. Перед ними стояла задача – не дать танковой армии Гота войти в Сталинград с юга.
Отрезанные от основных сил фронта рекой, воины 62-й армии ожесточенно оборонялись, навязав противнику ближний бой. Как отмечал генерал В. И. Чуйков: «Бой в городе – это особый бой. Тут решает вопрос не сила, а умение, сноровка, изворотливость и внезапность. Городские постройки, как волнорезы, разрезали боевые порядки наступающего противника, направляли его силы вдоль улиц. Поэтому мы крепко держались за особо прочные постройки, создавали в них немногочисленные гарнизоны, способные в случае окружения вести круговую оборону». В зданиях устраивались многочисленные огневые точки, в том числе вынесенные и за пределы домов. В состав гарнизонов входили саперы и снайперы, кроме пулеметов и стрелкового оружия, они вооружались легкими противотанковыми орудиями и ружьями. В итоге боев 21–23 сентября, как и в предыдущие дни, войскам вермахта не удалось добиться решающего успеха. 13-я гвардейская и 95-я стрелковая дивизии выдержали натиск немецких солдат и не допустили их выхода к Волге в центральной части города, не отдав и Мамаев курган.
В конце сентября создалась угроза прорыва неприятеля к Волге в районе площади 9 января и мельницы № 4, где находился командный пункт 42-го полка 13-й гвардейской стрелковой дивизии. Командир 7-й стрелковой роты этого полка старший лейтенант И. И. Наумов принял решение превратить в опорные пункты два четырехэтажных дома, расположенных параллельно на площади 9 января, и направил туда две группы бойцов. Первая группа состояла из четырех разведчиков под командованием сержанта Я. Ф. Павлова, вторая группа – взвод лейтенанта H. Е. Заболотного, они захватили эти дома и закрепились в них. Впоследствии эти дома вошли в историю Сталинградской битвы как «дом Павлова» и «дом Заболотного». На третьи сутки на помощь разведчикам Я. Ф. Павлова прибыло подкрепление, и гарнизон дома увеличился до 24 человек. Гвардейцы при помощи саперов усовершенствовали оборону дома, заминировав все подходы к нему, прорыли небольшую траншею, по которой поддерживалась связь с командованием, доставлялось продовольствие, боеприпасы. Дом стал неприступной крепостью. Легендарный гарнизон удерживал его 58 дней.
Надвигающаяся зима усилила стремление германского командования быстрее завершить операции по захвату Сталинграда и Кавказа. Гитлер провел серьезные изменения в руководстве вермахта. 24 сентября был смещен начальник генерального штаба сухопутных сил вермахта Гальдер. Паулюса постоянно критиковали за то, что Сталинград до сих пор не взят. Фюрер утверждал, что советские резервы вот-вот будут исчерпаны и необходим последний бросок к Волге. 6-я армия с приданными ей двумя корпусами 4-й танковой армии имела 19 дивизий и представляла собой самую крупную группировку вермахта численностью более 300 тысяч человек. Из них лишь 8 дивизий атаковали советские войска на улицах города, а остальные 11 были растянуты по всей линии фронта протяженностью 200 км.
Паулюс решил нанести удар в районе северо-западнее Сталинграда. 27 сентября в 6 часов утра наступление немецко-фашистских войск началось массированными бомбардировками советских позиций. К 11 часам австрийская 100-я егерская дивизия перешла в наступление в направлении на Мамаев курган с целью пробиться к Волге. Атака была сорвана частями 62-й армии. 95-я стрелковая дивизия стремительной атакой после короткого, но сильного огневого налета советской артиллерии очистила от противника западные и южные скаты Мамаева кургана. Однако, пополнив силы, гитлеровцы к 14 часам прорвались на западную окраину поселка Красный Октябрь и в юго-западную часть поселка Баррикады. Здесь разгорелись ожесточенные уличные бои. На отдельных участках части вермахта продвинулись на 2–3 км к востоку, а также оттеснили 95-ю стрелковую дивизию 62-й армии с западных и южных склонов Мамаева кургана. Кроме того, части вермахта прорвались к Волге южнее Царицы на участке протяженностью до 10 км. Натиск немецко-фашистских войск был настолько силен, что командование 62-й армии всерьез засомневалось, удастся ли его сдержать. Днем 28 сентября снова разгорелись уличные бои на территории рабочих поселков, причем в поселке Баррикады немецко-фашистским частям удалось продвинуться вперед. Самолеты люфтваффе нанесли несколько массированных ударов по советским позициям и переправам, стремясь оборвать связь 62-й армии с восточным берегом. Однако в целом частям вермахта не удалось добиться решающего результата.
С 27 сентября по 4 октября шли ожесточенные бои на северных окраинах города за рабочие поселки Красный Октябрь и Баррикады. Одновременно враг вел наступление в районе Мамаева кургана (центр города) и на крайний правый фланг 62-й армии в районе Орловки (здесь, стремясь овладеть северной частью города, немцы отчаянно пытались ликвидировать «Орловский выступ»). 2 октября немцы захватили Орловку.