В ходе сражения флотилия оказывала обороняющимся частям Красной Армии огневую поддержку, высаживала десанты, переправляла части Красной Армии, оружие, боеприпасы и продовольствие в город; вывозила из Сталинграда раненых, женщин и детей. В составе флотилии 2 бронекатера имели на вооружении реактивные миномётные установки, выполняя задачи «Катюш» . За время Сталинградской битвы флотилия потеряла 3 бронекатера, два из которых были потоплены при высадке десанта, а один при снятии десанта. В то же время за два месяца боевых действий из мобилизованных гражданских судов противником было потоплено 18 пароходов и 6 пассажирских катеров, а также 12 катерных тральщиков и 6 полуглиссеров. В ходе сражения артиллерией флотилии было уничтожено 3 полка пехоты противника, 20 танков, 13 самолётов, 100 дзотов и блиндажей, 26 артиллерийских батарей противника. В город было переправлено около 90 000 солдат и офицеров, 13 000 тонн грузов. Из города было эвакуировано 52 000 человек.