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而此时的苏军早已做好了坚守斯大林格勒的准备。但是7月23日，来势汹汹的德军还是突破苏军第62集团军右翼防线，合围了该集团军的2个师，到达了斯大林格勒西面的顿河河岸。7月25日，德军又对由苏军第64集团军的右翼阵地发起攻击，企图在卡拉奇附近强渡顿河。次日，苏第64集团军被迫退过顿河。
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斯大林格勒的红旗
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在斯大林格勒的中央广场附近的一栋建筑物上，一名苏联红军战士挥舞着苏联国旗。斯大林格勒战役以残酷的巷战著称。在废墟中，苏联红军节节抗击德国军队的进攻，牢牢将这座城市掌握在手中。
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此时的斯大林愤怒难当，他撤销了铁木辛哥元帅斯大林格勒方面军司令员的职务，由第64集团军司令戈尔多夫中将接任，并派总参谋长华西列夫斯基上将作为最高统帅部代表前往斯大林格勒协助指挥战事。斯大林还决定将预备队的装甲第1和第4集团军火速调往斯大林格勒地域。随后，为了增强斯大林格勒守军的斗志，斯大林于7月28日发布了第227号命令，规定凡是不服从命令而离开战斗岗位或者撤退的军人都将被枪毙，并严厉要求苏军部队“绝对不许后退一步”！
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然而顿河西岸苏军的处境非常困难，两翼都陷入了德军包围。28日，苏军不得不从罗斯托夫撤退。可是7月30日，希特勒又作了一个影响命运的决定。他宣布：“因为高加索的命运是将要在斯大林格勒决定，所以由于这个会战的重要性，有从A集团军群抽调兵力以增强B集团军群之必要。”就是这个决定给苏军带来了意想不到的转机。
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在希特勒的授意下，霍特的第4装甲集群又归还给B集团军群，并于8月1日奉命沿科捷尔尼科沃—斯大林格勒铁路向东北方向进击，当天迅速突破了苏第51集团军的防线，占领了蒙特纳亚。8月3日，霍特攻占了科捷尔尼科沃，接着又于5日突破了苏第64集团军的防御，到达了阿勃加涅罗沃地域。
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但之后德军却遭到了苏军越来越顽强的抵抗和反击。临危受命的苏联将领此次不辱使命，霍特只好放弃了独立攻占斯大林格勒的想法，于8月9日转入守势。至8月10日前，该部苏军退到顿河东岸，在斯大林格勒外层防御阵地成功阻止了德军继续前进。在斯大林格勒的西南方向，德军第4装甲集集群也实施了突击，但是同样遭到了苏军的顽强抵抗，德军被迫暂时转入了防御。至8月17日前，他们也被阻止于外层防御阵地南部地区。
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在废墟中挺近的德军突击队
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在斯大林格勒战役中，为了占领这座城市，德国军队曾组织大量的突击队，穿过废墟，与苏联红军在每一栋建筑物中展开激战。
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8月19日起，德军再次发起了强烈的冲锋，这次他们从西面和西南面同时实施向心突击，力图攻占斯大林格勒，并出动了几千架次的飞机对城市进行了密集的轰炸。德军企图从北面沿伏尔加河实施突击夺取该市，所以一部分的兵力在斯大林格勒以北逼近伏尔加河畔。然而撤到西北方向上的苏军部队由北向南实施了反突击，将该部分德军阻止于西北郊区。德军从西面和西南面逼临城区时，固守斯大林格勒的苏军第62、第64集团军与德军展开了激烈的战斗。苏军最高统帅部又从其战略预备队调集两个集团军，与斯大林格勒地域苏军成功会师的部分兵力，再次对进到伏尔加河畔之德军实施了一系列勇猛的突击。这最终迫使德军第6集团军的大部兵力调向北面，从而大大削弱了其对斯大林格勒的突击力。
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斯大林格勒城下的德军突击队
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从年龄上看，这是一群年轻的士兵，背上的步枪、腰间的长柄手榴弹和地上的燃烧瓶、地雷、机枪证明了他们的身份。
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然而在斯大林格勒南面的接近地，德军装甲第4集团军在此与苏军进行了激战，德军用尽全力突破了防御，苏军第64、第62集团军后方再次受到了威胁。奉命撤至内层防御阵地的两个集团军在这里的激战一直持续到9月12日，他们不屈不挠，抗争到底。至此，德军统帅部以第6集团军和装甲第4集团军同时出击，从行进间夺取斯大林格勒的计划破产了。在9月13日前该部德军被阻击在内层阵地之外。
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9月13日，德军开始攻城。9月14日，德军从城北突入市区，与守卫该城的苏第62集团军展开了激烈的巷战。15日，德军对马马耶夫高地实施重点突击，经过一天激战，德军占领了马马耶夫高地，但在16日，苏近卫第13师渡过伏尔加河进入斯大林格勒，突然向德军发起反冲击，又重新夺回了该高地。之后这块高地又来来回回交替在苏德两军手中，反复数次。从9月13日到26日，德军向市中心的第62集团军各兵团反复发动冲击，第62集团军与第64集团军的联系被切断。然而苏德双方仍是毫不妥协厮杀不止，德第6集团军的一位叫汉斯·德尔的军官在《进军斯大林格勒》一书中写道：“敌我双方为争夺每一座房屋、车间、水塔、铁路路基，甚至为争夺一堵墙、一个地下室和每一堆瓦砾都展开了激烈的战斗。其激烈程度是前所未有的，甚至第一次世界大战也不能相比。我们早晨攻占了20米，可是一到晚上，俄国人又夺了回去。”
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9月27日，德军又发动了第二次强攻，这次争夺的焦点是红十月村的战斗和巷战。双方仍然打得很顽强。28日，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，他们仍旧在为了斯大林格勒流血牺牲。胜负仍然难分。
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德国士兵正在悬挂德国国旗
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这样的场景在斯大林格勒的争夺中屡屡出现，双方的旗帜在阵地的易手中不断变化。
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10月中旬，德军第三次企图攻占斯大林格勒，拖拉机厂、街垒工厂和红十月工厂都遭到了德军实施的突击。德军攻占了拖拉机厂并在2.5千米宽的地段上抵近伏尔加河畔。苏军第62集团军的处境更加危险起来。然而苏联英勇的第62集团固守每条街、每幢房屋、每寸土地，在极端困难的境地下战斗展开了。
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此时的斯大林格勒会战已经不仅仅是一个城市的战役。它关涉斯大林本人的人格和整个苏联未来的命运。在万分紧急的情况下，顿河方面军为了援助斯大林格勒保卫战，在该市以北实施了连续反突击，第64集团军由南向德军进攻部队的翼侧实施了反突击。顿河方面军和第64集团军的反突击减轻了第62集团军所受的压力。