富饶的地区均落入联军之手。双方部队在伏尔加格勒展开大会战。

会战正式开始。德军第6集团军在鲁登道夫的指挥下，以第8步兵军为北突击集团，以第51步兵军为南突击集团，突击苏联布尔什维克军队防御实施包围，向卡拉奇方向发展进攻。同时，以部分兵力向苏联布尔什维克军队后方发起佯攻，以吸引苏联布尔什维克军队的注意力。德军在卡拉奇附近强渡了顿河。托洛茨基命令，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，并严厉要求苏联布尔什维克军队部队“绝对不许后退一步！”

同时，蔡锷的军队在伏尔加格勒铁路向东北方向进击，当天迅速突破了布尔什维克的防线，占领了蒙特纳亚。第二天，中队又攻占了科捷尔尼科沃，突破到阿勃加涅罗沃地域，独立攻击伏尔加格勒，进至城南的加夫里洛夫卡地域，其前锋已前出攻占京古塔车站。与此同时，中国第一航空大队在冯如的指挥下，出动飞机30架，对伏尔加格勒进行狂轰滥炸，伏尔加格勒郊区的房屋多为木质结构，燃起了熊熊大火。

当时，圣彼得堡也遭到了德军的猛烈攻击，列宁致电托洛茨基，要求他立即带军队从伏尔加格勒突围，以缓解圣彼得堡的紧张局势。

托洛茨基的军队于是集结了三个师大约七万人，强行突围，但由于准备仓促，未达到预期目标。当晚，苏联布尔什维克军队再次发动突围，再次失败。

中队再次出动轰炸机，用燃烧弹将伏尔加格勒市区炸成废墟，伏尔加河沿岸的水路增援也受到影响。蔡锷的军队从城北突入市区，苏联布尔什维克军队展开了激烈的巷战，双方逐街逐楼逐屋战斗，反复争夺。中国的重炮部队加大了轰击力度，飞机也不停轰炸伏尔加格勒，城里变成了一片瓦砾场，城中80的居住区被摧毁。在满是瓦砾和废墟的城中。刚刚赶赴城中的布尔什维克军队战士的平均存活时间不超过24个小时，军官也只有约三天的平均存活时间。

德军也开始调遣包括420毫米巨炮轰击城内，在伏尔加河东岸的苏联部队陷于炮火笼罩之下。城内布满了高达数米的瓦砾堆和废弃建筑。

联军不断加强对斯大林格勒的包围圈，并开始缩小包围圈的行动。苏联布尔什维克军队口粮的分配已减到了能够维持生活的标准之下；炮兵的弹药开始感到缺乏；医药品和燃料都已经用尽；每天都有数千名士兵死于饥饿、严寒和营养失调。

三天之后，徐世昌发出最后通牒，敦促托洛茨基投降。托洛茨基向列宁报告说：“我们的军队已不能支持了，继续抵抗已毫无意义，请准允我们投降。”

列宁对于托洛茨基的军队没有能够突围感到很不满，所以，他的答复是：“投降是不可能的，我们布尔什维克人，应该为人民战斗到底，流血直到最后一人为止。”

当蔡锷的军队攻进伏尔加格勒，三十一岁的托洛茨基选择了投降，战俘中还包括22名布尔什维克的将军。蔡锷面对着托洛茨基这群跪在地上的战俘，内心充满了鄙视，他拔出腰间的毛瑟枪，朝天开了三枪，冲着那帮跪着的将军们大吼：“你们这些将军，怎么不去死啊！平日你们总是口口声声说代表人民，却享受着种种特权，你们吃着人民的民脂民膏，作威作福，今日面对人民的敌人，你们怎么不拿起武器，战斗到底呀？你们就只会在你们的报纸上展示你们的英勇吗？一群懦夫！”

托洛茨基这个曾领导契卡的布尔什维克头目，这时两腿也直发抖，抬起头说：“我们愿意作为战俘，接受历史正义的审判！”

蔡锷冷笑了一声，说：“我是军人，如果你们在战场上抵抗到底，我还考虑让你们接受审判，现在不必了。来人，拖出去全毙了！”

之后，蔡锷又命人取了火油，将托洛茨基等人的尸体堆成一堆，一把火烧了个精光。