Что касается непосредственно обороны Тулы, то она первоначально была возложена на командира 238-й стрелковой дивизии, прибывшей из Казахстана, полковника Г.П. Короткова. Но в связи с угрожающим положением на фронте эта дивизия ушла под Алексин, войдя в состав 49-й армии. 22 октября 1941 г. решением Государственного Комитета Обороны был создан Тульский городской комитет обороны. В его состав вошли: председатель – первый секретарь обкома и горкома партии В.Г. Жаворонков, члены комитета – председатель облисполкома Н.И. Чмутов, начальник управления НКВД по Тульской области В.Н. Суходольский и военный комендант города полковник А.К. Мельников. На Городской комитет обороны была возложена вся полнота ответственности за оборону Тулы. В тот момент комитет располагал лишь силами тульского гарнизона, в состав которого входили 156-й полк НКВД (1500 чел.), 732-й зенитно-артиллерийский полк (1600 чел. и 44 орудия), 171-й истребительный авиационный полк Московского корпуса ПВО, бронепоезд № 16 и другие части – всего не более 4 тыс. человек. Для усиления обороны Тулы 24 октября Тульский городской комитет обороны принял решение о формировании Тульского рабочего полка. Полк был сформирован из оставшихся в Туле рабочих. Первоначально он имел три батальона, при общей численности 980 человек. Командиром полка был назначен капитан А.П. Горшков, комиссаром – Г.А. Агеев. Надо сказать, что, при всем мужестве туляков, полк был плохо вооружен, и почти половина бойцов полка не прошла даже начальной военной подготовки.
26 октября в Туле и прилегающих к ней районах было объявлено осадное положение. 27 октября рано утром силами жителей Тулы началось создание рубежей обороны. Первый рубеж обороны прошел в 2 км от южной окраины города, второй и третий – в самом городе. Вокруг города выкапывались противотанковые рвы, ставились проволочные заграждения, на улицах были воздвигнуты баррикады, устанавливались противотанковые ежи и надолбы. Наиболее опасные участки шоссейных дорог были заминированы. Но все же окончить строительство укреплений до подхода немецких танков не удалось. Даже южные оборонительные рубежи не были завершены.
Основная тяжесть боев на Тульской земле выпала на 50-ю армию, которая, выйдя из окружения, ослабленная к середине октября вышла к Оке в районе Белева. 23 октября в ее состав были включены части и соединения 26-й армии. Командующим 50-й армии был назначен генерал-майор А.Н Ермаков. На его армию Верховное командование возложило оборону Тулы и подступов к городу. 24 октября Тульский городской комитет обороны и командование 50-й армии разработали и утвердили план обороны Тулы. Этот же день принято считать началом Тульской оборонительной операции (24 октября – 5 декабря 1941 г.) и началом 45-ти дневной героической обороны Тулы (24 октября – 7 декабря 1941 г.).
В конце октября 1941 г. на Тульской земле действовало 16 вражеских дивизий. На алексинском направлении наступали части 43-го немецкого армейского корпуса, здесь врага сдерживала 238-я дивизия. На ефремовском направлении действовали части 2-й немецкой танковой армии, им противостояли соединения 3-й армии. На тульском направлении наступали главные силы 2-я танковой армии Гудериана. За четыре месяца наступательных боев 2-я танковая группа (с 5 октября армия) 53-летнего генерала Гудериана основательно поредела. Она состояла из 4 танковых дивизий, 3 моторизованных дивизий, 6 пехотных дивизий и полка «Великая Германия», который по численности большее соответствовал дивизии. На начало Тульской оборонительной операции в его 14 дивизиях насчитывалось 80 тыс. солдат и офицеров, что было более чем вдвое меньше штатного расписания. Если, имея под Брестом более 1 тыс. танков, в октябре на Тулу Гудериан вел не более чем 600 машин, артиллерийский парк 2-й танковой армии имел 1000 орудий и минометов. Но, тем не менее, это была грозная сила, испытанная в немалых боях. Кроме того, сил 50-й армии для отпора врагу было явно недостаточно. На 24 октября она имела 10 стрелковых, 1 танковую и 2 кавалерийские дивизии. Но что это были за соединения! Достаточно сказать, что после выхода из окружения 217-я стрелковая дивизия имела 500 бойцов, 290 сд. – 500 чел., 260 сд. – 300 чел., 279 сд. – 1500 чел., 154 сд. – 1200 чел. и т. д. Вновь прибывшая 108 танковая дивизия была укомплектована только на 40 %. В общей сложности 50-я армия уступала 2-й немецкой танковой армии в живой силе в 3,6 раз (25 тыс. чел.), по артиллерии и танкам – в 6 раз (100 танков).
Гудериан начал наступление из Мценска утром 23 октября. Вдоль шоссе от Мценска до Тулы наступал 24-й механизированный корпус, с северо-запада на Тулу наступал 53-й армейский корпус. Немецкие войска прорвали советскую оборону в районе городов Черни и Плавска, и уже утром 27 октября передовые части 24-го немецкого корпуса заняли Плавск. На сутки их здесь задержали бойцы 108-го мотострелкового полка. Чтобы не попасть в окружение, наши войска оставили города Белев и Одоев. Утром 29 октября противник захватил город Щекино. В этих условиях перед командованием 50-й армии встала задача как можно быстрее выводить части армии в район Тулы для организации устойчивой обороны города. Севернее Щекино на пути немецких танков встала 290-я стрелковая дивизия, усиленная 58-м запасным стрелковым полком и батальном пограничников. А в районе Косой Горы оборону заняли 31-й кавалерийская дивизия и 643-й артполк. 27 октября незаконченные оборонительные рубежи на южной окраине города заняли бойцы Тульского рабочего полка под командованием капитана А.П. Горшкова (от Воронежского до Орловского шоссе), 156-й полк НКВД под командованием майора С.Ф. Зубкова и батальон милиции под командованием майора М.П. Свиридова (от Орловского до Одоевского шоссе). 732-й зенитно-артиллерийский полк ПВО под командованием майора М.Т. Бондаренко охранял город от налетов вражеской авиации. 6-я и 10-я батареи этого полка были выдвинуты к южной окраине города для стрельбы прямой наводкой по танкам противника. Северные рубежи обороны занял прибывший 29 октября 447-й корпусной артиллерийский полк. Кроме того, в обороне города принимали участие 168-й отдельный зенитно-артиллерийский дивизион и 702-й артиллерийский полк ПТО.
В течение 29 октября немецкие войска, потеснив 290-ю дивизию, обошли Косую Гору стороной и, оставив у поселка небольшую группу, основными силами пошли правее, через станцию Ясная Поляна и Скуратово. Около 16 часов одна колонна немецких танков вышла к Ивановским дачам, другая двинулась на Воронежское шоссе. Но попытка с ходу ворваться в Тулу потерпела провал из-за стойкой обороны бойцов Тульского рабочего полка, полка НКВД и 168-го отдельного зенитного артиллерийского дивизиона. Потеряв 19 танков, гитлеровцы отступили. В своих «Воспоминаниях солдата» генерал Гудериан написал: «29 октября наши головные танковые подразделения достигли пункта в 4 км от Тулы. Попытка захватить город с ходу натолкнулась на сильную противотанковую и противовоздушную оборону и окончилась провалом, причем мы понесли значительные потери в танках и офицерском составе».
Решающие бои за Тулу развернулись 30 и 31 октября. Какие же силы были сосредоточены в эти дни в городе для его обороны? Рано утром 30 октября командование 50-й армии во главе с генералом А.Н. Ермаковым издало приказ № 5, которым «для непосредственного руководства войсками на подступах к Туле с юга» создавался Тульский боевой участок в составе 217-й, 173-й, 290-й, 260-й, 154-й стрелковых дивизий, 58-го запасного полка и 1005-го стрелкового полка. Командующим ТБУ назначался генерал-майор В.С. Попов. Перед всеми участниками обороны города были поставлены конкретные боевые задачи. В частности для усиления южного участка обороны были выдвинуты 154-я стрелковая дивизию под командованием генерал-майора Я.С. Фоканова, 217-й стрелковая дивизии (генерал-майора К.П. Трубникова) и 58-ой запасного полк. В это же время на станции Хомяково выгружалась 32-я танковая бригада полковника И.И. Ющука, а в Сталиногорске – 413-я стрелковая дивизия генерал-майора А.Д. Терешкова, прибывшая с Дальнего Востока. Оба соединения были укомплектованы по штатам военного времени и имели боевой опыт Финской войны и боев на Халхин-Голе. Так что, в отличие от мемуарных воспоминаний, некоторых партийных руководителей, для обороны Тулы сил было достаточно.