Началось упорное оборонительное сражение. Противник почти ежедневно с разных направлений и по нескольку раз в день после мощной авиационной и артиллерийской подготовки силами двух-трех дивизий при поддержке танков атаковал войска армии. Но бойцы 64-й выдержали натиск врага, нанося ему большие потери в живой силе и технике.
К 3 сентября армия закрепилась на рубеже Песчанка — Елхи — Ивановка. В боевом донесении в Ставку ВГК 3 сентября Военный совет Юго-Восточного фронта сообщал: «Противник силами двух 24-й и 14-й танковых дивизий, 29-й моторизованной дивизии и шести пехотных дивизий — 76-й, 71-й, 94-й, 297-й, двух румынских пехотных дивизий, с утра 3.9.42 атаковал войска в полосе обороны х[утор] Новая Надежда — Елхи, нанося главный удар в направлении Питомник — Опытная Станция.
К исходу дня противник силами одной танковой, одной моторизованной и одной пехотной дивизий, прорвав оборону наших войск, вышел в район Опытная Станция. Одновременно подтягивал до одной пехотной дивизии из района Нижний Акатов и до пехотной дивизии из Верхнего Царицынский, Зеты, создавая вторую группировку для удара на Бекетовку.
Надо ожидать, что с утра 4.9.42 г. противник этими группами будет пытаться овладеть г. Сталинград».
Шумилов в своем приказе говорил об опасности, нависшей над городом, и предупреждал, что дальше указанного рубежа противник не может быть пропущен ни в коем случае. «Отступать некуда, за нами Волга. Ни шагу назад! Лучше славная смерть, чем позор отхода».
В два часа ночи 4 сентября поступил приказ командующего войсками Юго-Восточного фронта о нанесении контрудара силами 64-й армии: «Двумя полками 112-й стрелковой дивизии, 27-й, 99-й танковыми бригадами с фронта будка, что южнее Гумрак 2 км, участок № 6, удар нанести в направлении Таловой, Опытная Станция, Ежовка.
— Одним полком 35-й гвардейской стрелковой дивизии, военно-политическим училищем, 196-й стрелковой дивизии, нанести удар с фронта лес, восточнее Опытная Станция в направлении Ежовка.
— 38-й мотострелковой бригаде, 26-й танковой бригаде, 35-й гвардейской стрелковой дивизии нанести удар с фронта высоты 145,5 — Верхняя Ельшанка — Песчанка в направлении Воропоново, Алексеевка».
Господствующей возвышенностью между населенными пунктами Горная Поляна, Зеленая Поляна, Песчанка и Стародубовка являлась высота 145,5, называемая Лысой горой, неоднократно переходившая из рук в руки. Это одно из самых высоких мест в Сталинграде. Расстояние от нее до Волги около трех километров. Овладение высотой было основной задачей не только советских, но и немецких частей. Бои на Лысой горе были столь кровопролитными и ожесточенными, что немцы назвали ее «горой смерти».
Утром 9 сентября немецкие танки прорвали оборону обескровленных частей 35-й гвардейской и 131-й стрелковых дивизий. За ними в образовавшуюся брешь устремились автоматчики. К середине дня передовые подразделения немецко-фашистских войск вышли к Купоросному. В результате левый фланг 271-го стрелкового полка 10-й стрелковой дивизии внутренних войск НКВД оказался под непосредственным ударом врага.
Продолжая наступление, противник вклинился в оборону 3-го батальона 271-го стрелкового полка внутренних войск НКВД. Когда на левом фланге полка противник получил сильный отпор и командованию удалось восстановить положение, он направил свой удар на участки, обороняемые 4-й и 5-й стрелковыми ротами. Ему удалось потеснить их и захватить территорию кирпичного завода № 8. Сюда прорвались шесть танков и до сотни немецких автоматчиков. Завязался ожесточенный бой, противник подтягивал все новые силы, стремясь прорваться к Волге кратчайшим путем — вдоль железной дороги — и разрезать оборону советских частей. В этой критической ситуации было решено подключить к бою гвардейские минометы и орудия бронепоезда, чтобы воспрепятствовать подходу к противнику резервов. Одновременно были предприняты меры по восстановлению утраченных позиций. С этой целью командир полка подтянул находившийся во втором эшелоне 1-й стрелковый батальон. Контратака оказалась неожиданной для немцев, и вскоре они были отброшены к кирпичному заводу.
Утром 10 сентября бои на этом участке возобновились с новой силой. По обороне полка немцы нанесли сильнейший бомбовый и артиллерийский удар, после чего возобновились атаки пехоты и танков. На этот раз гитлеровцы сосредоточили основные усилия на стыке батальонов полка. Однако и в этот раз успеха они не добились. Тогда враг перенес направление главного удара и нанес его вдоль берега Волги. По наступающему противнику открыли огонь гвардейские минометы и орудия 416-го истребительного противотанкового артиллерийского полка.