К исходу 12 сентября части немецкой 6-й полевой армии вышли к Сталинградскому тракторному заводу и находились уже в трех– четырех километрах от центра города. Их активно поддерживали штурмовики и бомбардировщики 4-го воздушного флота Люфтваффе, которые в течение дня сбросили на городские кварталы 856 фугасных и осколочных бомб всех калибров.

На следующий день начался штурм северных и центральных районов Сталинграда. Основной удар немцы наносили в направлении Мамаева Кургана и железнодорожного вокзала. Сначала им удалось лишь немного потеснить советские войска, но 14 сентября натиск усилился, и к исходу дня передовые подразделения овладели вокзалом, а в районе поселка Купоросное вышли к Волге. 62-я советская армия была отрезана от 64-й армии, но вскоре с левого берега Волги были переброшены части 13-й Гвардейской дивизии генерала А. И. Родимцева. Они с ходу вступили в бой и выбили немцев из центра города. 16 сентября немцы были отброшены и с Мамаева Кургана. Ожесточенные же бои за вокзал шли до 27 сентября, и он тринадцать раз переходил из рук в руки.

Сталинград уже представлял собой сплошные развалины, даже у немцев он получил печальное прозвище «города без единого дерева». Ориентиром для летчиков служила химическая фабрика «Лазурь», полностью разрушенная, но хорошо заметная, благодаря подходившей к ней железнодорожной ветке своеобразной формы, называемой «теннисной ракеткой».

Начиная с 17 сентября советские штурмовики, помимо уже ставших традиционными для них атак аэродромов и дорог в немецком тылу, стали принимать активное участие в уличных боях в Сталинграде. Появляясь из-за Волги большими группами в сопровождении истребителей, они с малой высоты атаковали улицы, площади и здания в занятой немцами части города, сбрасывая бомбы и пуская ракеты, а также обстреливали их из пушек и пулеметов. Над городом и его ближайшими окрестностями то и дело вспыхивали воздушные бои.

18 сентября шесть Ил-2 из 245-го ШАП под прикрытием «пятерки» Як-1 вылетели в очередной раз атаковать немецкие позиции. На пути к цели группа встретилась с «Мессершмиттами», которые быстро отсекли «Яки» и беспрепятственно атаковали штурмовики. В результате два «горбатых» были сбиты, остальные с тяжелыми повреждениями с трудом перетянули через линию фронта и совершили вынужденные посадки в степи.

Любопытный эпизод произошел на следующий день, когда «Мессершмитты» из I./JG53 встретили над Сталинградом очередную группу штурмовиков. Едва фельдфебель Вильгельм Будке (Wilhelm Budke) из 2-й эскадрильи вышел в хвост одному из «цементбомберов», как по его Bf-109G-2 был выпущен «эрэс». Ракета взорвалась прямо перед лобовым стеклом фонаря кабины. Будке получил тяжелейшие ранения, но все же смог выпрыгнуть на парашюте. Он опустился в расположение немецких войск и был немедленно доставлен на самолете в госпиталь в Сталино (ныне Донецк), где, несмотря на все усилия врачей, 11 ноября скончался от полученных ранений.[24]

Высокая активность советской авиации, особенно ночных бомбардировщиков, заставляла командование 4-й воздушного флота Люфтваффе тоже наносить удары по аэродромам противника. Для этих целей время от времени привлекались как штурмовые и бомбардировочные, так и истребительные эскадры. Поскольку на советских аэродромах отсутствовали какие-либо средства ПВО, техническая маскировка делалась от случая к случаю и откровенно халтурно, эти удары в отличие от аналогичных атак Ил-2 часто приводили к большим потерям самолетов.