Город был переименован в Сталинград 10 апреля 1925 года. В 1931 году, в черту города включено поселение — переселенцев иностранцев из Германии Сарепта. Позднее Сарепта стала крупнейшим районом города — Красноармейским. Первый вуз, Сталинградский тракторный институт, открылся в 1930 году, годом позже был открыт и педагогический институт.
Люфтваффе проводит бомбардировку жилых районов Сталинграда, октябрь 1942 года

Наиболее серьёзным потрясением в истории города стала Великая Отечественная война. Сталинградская битва началась 17 июля 1942 года. А 23 августа массированная немецкая бомбардировка разрушила город, убив более 40 тысяч человек, уничтожила более половины жилого фонда довоенного Сталинграда, превратив тем самым город в громадную территорию, покрытую горящими руинами. Согласно воспоминаний свидетелей — городских жителей, город подвергался ежедневным налетам до 400 рейдов самолетов бомбардировочной авиации до конца сентября и ежедневным планомерным минометным обстрелам городской территории по кварталам, обрекая гражданское городское население на полную гибель.[23][24][25]

Сражение за Сталинград является одним из самых крупных сражений в истории Второй мировой войны и всего человечества. В Сталинграде наблюдались бои невиданной интенсивности. Например, центральный вокзал города переходил из рук в руки 13 раз, а знаменитый Мамаев курган (одна из высот Волгограда) был захвачен и снова отбит 8 раз. Из-за интенсивности боёв курган изменил свои очертания. Всё же, наступающим войскам вермахта не удалось сломить сопротивление защитников города. 19 ноября началось контрнаступление советских войск, вскоре немецко-фашистская группировка оказалась в окружении. 31 января 1943 года её командующий генерал-фельдмаршал Паулюс сдался в плен, а 2 февраля, с ликвидацией остатков окружённой группировки, Сталинградская битва была окончена. Началось восстановление города. Ковентри и Сталинград в 1944 году стали первыми породнившимся городами. Оба города подверглись жесточайшим бомбардировкам со стороны Люфтваффе. Это положило начало мировому движению породнённых городов.

Общепринятое мнение, согласно которому Сталинград практически полностью был разрушен, неверно — после войны в городе сохранилось большое количество зданий царицынской постройки, многие здания подлежали восстановлению. Многие здания были разрушены уже при восстановлении города, некоторые утеряны позднее.[26][27]

10 ноября 1961 года город Сталинград по решению XXII съезда КПСС в рамках десталинизации был переименован в Волгоград. Снесены и уничтожены все памятники И. В. Сталину.