戰役初期
1942年5月8日，曼施坦因上將指揮的德第11集團軍首先在克里米亞發起了攻勢，一週後佔領了刻赤半島，俘虜蘇聯紅軍17萬人。7月4日，守衛塞瓦斯托波爾要塞的近10萬蘇聯紅軍被迫向德軍投降，德軍佔領了整個克里米亞。5月12日，當刻赤半島正在激戰之際，鐵木辛哥元帥指揮西南方面軍和南方方面軍，共約45個師，分別從哈爾可夫的東北和東南兩面向哈爾可夫發起進攻。進攻開始時發展順利，突破了德軍防禦，並於3晝夜內前進了25—50公里。斯大林很高興，並據此譴責總參謀部，說險些因為總參謀的固執己見而取消了一次如此順利的戰役。但斯大林沒能高興多久。5月17日，德軍克萊斯特第1裝甲集團軍在第17和第6兩個集團軍支援下，從哈爾可夫南面向蘇聯紅軍側翼發起反攻，並於5月23日合圍了蘇南方方面軍的第9、第57集團軍、西南方面軍的第6集團軍和博布金戰役叢集。至5月29日，被圍蘇聯紅軍大部被殲。蘇聯紅軍西南方面軍副司令員科斯堅科中將、第57集團軍司令員波德拉斯中將、第9集團軍司令員戈羅德揚尼斯中將、戰役叢集司令員博布金少將陣亡。蘇聯紅軍共有25萬人被俘，損失坦克1249輛，火炮2026門。
哈爾科夫戰役拉開了斯大林格勒會戰的序幕，德軍在克里木和哈爾科夫的勝利使蘇聯來之不易的預備隊消耗殆盡，南翼受到嚴重削弱，德軍重新奪回部分戰略主動權，暫時處於優勢地位。德軍奪取了巴爾文科沃突出部，為即將發動的攻勢佔據了有利的進攻出發陣地。
1942年6月28日，博克B集團軍群左翼霍特第4裝甲集團軍和魏克斯第2集團軍突然從庫爾斯克東北向東攻擊，對布良斯克方面軍的第13和40集團軍實施了突擊，目標直指頓河上游的沃羅涅日。6月30日，右翼保盧斯第6集團軍也從哈爾科夫東北發起了進攻，以斯大林格勒為目標向東南挺進，並突破第21和28集團軍防禦。在沃羅涅日方向上蘇聯紅軍所有方面軍的預備隊都投入作戰，最高統帥部還抽調第6、第60集團軍和坦克第5集團軍加強布良斯克方面軍。隨著預備隊不斷投入，沃羅涅日方面局勢稍有緩和，但沒有消除德軍突破頓河以及沿頓河向斯大林格勒方面突擊的嚴重風險。
1942年7月2日，霍特第4裝甲集團軍的前鋒已逼進沃羅涅日。但希特勒突然改變了計劃，決定不佔領該城，他命令霍特在獲得第2集團軍的接替後，迅速轉向南面沿頓河向斯大林格勒前進。博克元帥卻想佔領沃羅涅日，以徹底殲滅該地域內的蘇布良斯克方面軍主力，這使希特勒大為惱怒，當即撤消博克元帥的B集團軍群司令之職，由第2集團軍司令魏克斯上將接任，第2集團軍司令則由薩姆斯將軍繼任。南面高加索方向，利斯特A集團軍群於1942年7月9日發起進攻。其左翼克萊斯特第1裝甲集團軍從哈爾可夫南面向頓尼茲河北岸進擊。魯夫第17集團軍則從塔甘羅格北面向伏羅希洛夫格勒進攻。同時，匈牙利第2集團軍和第4裝甲集團軍也對佛羅尼斯發動了突襲，並在1942年7月5日攻陷該城。
德軍的進攻非常成功，蘇聯軍隊在空曠的大草原上很難進行有效的抵抗，蘇聯紅軍後撤達100-300公里，頓河及頓巴斯盆地最富饒的地區均落入德軍之手。
然而，第6集團軍在戰役初期就取得令人滿意的戰果使希特勒再次改變了計劃。他認為攻佔斯大林格勒無需那麼多兵力，遂於17日命令霍特第4裝甲集團軍從斯大林格勒方向南下，轉隸A集團軍群，以支援克萊斯特第1裝甲集團軍強渡頓河下游。這樣，斯大林格勒方向的進攻部隊就只剩下了保盧斯的第6集團軍(轄有6個軍，含2個裝甲軍，計14個師約27萬人，近400輛坦克，3000門火炮和迫擊炮，由第4航空隊1200架作戰飛機進行支援)。由於交通等問題，第6集團軍的前進步伐有所放慢，給了蘇聯紅軍一定的準備時間。
蘇聯紅軍最高統帥部開始逐漸明確德軍的意圖，決心在斯大林格勒組織堅守。7月12日在西南方面軍原有基礎上組建了由鐵木辛哥元帥為司令員(7月23日起改由戈爾多夫中將接替)，由赫魯曉夫任軍事委員會委員的斯大林格勒方面軍，擔負斯大林格勒方向的防禦任務。其編成內有從蘇聯紅軍戰略預備隊調來的第62、第63、第64集團軍和原西南方面軍的第21、28、38、57集團軍殘部，坦克第1和第4集團軍(下轄第13、第22、第23坦克軍，僅有坦克240輛)，以及空軍第8集團軍、海軍伏爾加河區艦隊。斯大林格勒方面軍，編制內共有38個師，但只有16個師(第62、63集團軍的全部，第64集團軍2個師，坦克第1、第4集團軍各1個師)能夠佔領主要地帶的防禦陣地，其任務是固守從巴甫洛夫斯克至庫爾莫亞爾斯卡亞的長約530公里、縱深為120公里的防禦地帶。當面之敵為保盧斯的第6集團軍和下轄的18個齊裝滿員師。當時雙方力量對比為，人員1：1.2，坦克1：2，飛機1：3.6，火炮和迫擊炮大致相等，德軍實力佔優。
在高加索方向，原南方方面軍在撤退時遭到嚴重損失，原有的4個集團軍只剩下10多萬人。最高統帥部決定撤銷南方方面軍，並將所有部隊編入北高加索方面軍，由蘇聯元帥布瓊尼任司令員，北高加索方面軍的第37和12集團軍受領了掩護斯塔夫羅波爾方向的任務，第18、56、47集團軍則受領了掩護克拉斯諾達爾方向的任務。7月底至8月初，兵力上佔優勢的德軍頑強地向前推進。很快進抵庫班河。1942年8月，在邁科普方向上，交戰也激烈起來。1942年8月10日，德軍攻佔了邁科普，1942年8月11日又攻佔了克拉斯諾達爾。1942年8月中旬，佔領了莫茲多克，前出到捷列克河。到1942年9月9日，德軍將第46集團軍擊退後，佔領了幾乎全部山口。蘇呼米麵臨著嚴重的危險。
近地戰鬥
1942年7月17日，蘇德雙方在斯大林格勒接近地展開了激烈的交戰，會戰正式開始。德軍第6集團軍在保盧斯上將指揮下，以第8步兵軍和第14裝甲軍為北突擊集團，以第51步兵軍和第24裝甲軍為南突擊集團，突擊蘇聯紅軍62集團軍防禦實施包圍，向卡拉奇方向發展進攻。同時，以部分兵力向蘇聯紅軍第64集團軍發起佯攻，以吸引蘇聯紅軍的注意力。7月23日，德軍突破蘇聯紅軍第62集團軍右翼防線，合圍了該集團軍的2個師，前出到斯大林格勒西面的頓河河岸。1942年7月25日，德軍對由蘇聯紅軍第64集團軍的右翼陣地發起攻擊，企圖在卡拉奇附近強渡頓河。1942年7月29日，蘇64集團軍被迫退過頓河。斯大林再也按捺不住對年邁的鐵木辛哥元帥的失望，撤消了他斯大林格勒方面軍司令員的職務，由第64集團軍司令戈爾多夫中將接任，並派總參謀長華西列夫斯基上將作為最高統帥部代表前往斯大林格勒協助指揮戰事。斯大林還決定將預備隊的坦克第1和第4集團軍火速調往斯大林格勒地域。隨後，為了增強斯大林格勒守軍的鬥志，斯大林於1942年7月28日釋出了第227號命令，凡是不服從命令而離開戰鬥崗位或者撤退的軍人都將被槍斃，並嚴厲要求蘇聯紅軍部隊“絕對不許後退一步!”德第6集團軍由於缺少裝甲兵力的支援，被迫轉入防禦態勢。德軍在行進間佔領斯大林格勒的計劃被粉碎。但此時頓河西岸蘇聯紅軍的處境非常困難，兩翼都陷入了德軍包圍。
1942年7月28日，蘇聯紅軍從羅斯托夫撤退。
1942年7月30日，希特勒又作了一個影響命運的決定。他宣佈：“因為高加索的命運是將要在斯大林格勒決定，所以由於這個會戰的重要性，遂有從A集團軍群抽調兵力以增強B集團軍群之必要。”於是，霍特的第4裝甲集團軍又歸還給B集團軍群，並於1942年8月1日奉命沿科捷爾尼科沃——斯大林格勒鐵路向東北方向進擊，當天迅速突破了蘇第51集團軍的防線，佔領了蒙特納亞。1942年8月3日，霍特攻佔了科捷爾尼科沃，接著又於5日突破了蘇第64集團軍的防禦，前出到阿勃加涅羅沃地域，但之後遭到了蘇聯紅軍越來越頑強的抵抗和反擊，霍特只好放棄了獨立攻佔斯大林格勒的想法，於1942年8月9日轉入守勢。
1942年8月5日，蘇聯紅軍最高統帥部決定將斯大林格勒方面軍改組為東南、斯大林格勒兩個方面軍，由華西列夫斯基上將統一指揮。東南方面軍由葉廖緬科上將指揮，編成內有第64、第57、第51集團軍，以及坦克第1集團軍、坦克第13軍和空軍第8集團軍。斯大林格勒方面軍仍由戈爾多夫中將指揮，編成內有第21、第62、第63集團軍，以及坦克第4集團軍、坦克第28軍和空軍第16集團軍。
1942年8月19日，保盧斯和霍特重新發起了進攻。保盧斯第6集團軍從斯大林格勒西北面的特列赫奧斯特羅夫卡亞向東南攻擊，22日突破蘇第62集團軍在韋爾加奇和彼斯科瓦特卡地段的防線，強渡頓河，佔領了卡拉奇，23日第14裝甲軍推進到斯大林格勒北郊的葉爾佐夫卡地域，前出到伏爾加河，將蘇第62集團軍與斯大林格勒方面軍主力分割開來。霍特第4裝甲集團軍從南面的阿勃加涅羅沃地區向北進攻，突破了蘇第64集團軍的防禦，29日進至城南的加夫裡洛夫卡地域，其前鋒已前出到京古塔車站。1942年9月2日，保盧斯第6集團軍右翼與霍特第4裝甲集團軍左翼在舊羅加奇克地區取得了聯絡。與此同時，德軍第4航空隊出動飛機幾百架，入夜又出動2000架次飛機對斯大林格勒進行狂轟濫炸。由於斯大林格勒郊區的房屋多為木質結構，據說在距離斯大林格勒64公里外，在夜晚都可以藉助火光看書。
鑑於斯大林格勒異常嚴峻的形勢，斯大林任命朱可夫為最高副統帥，並決定立即調撥第24、第66集團軍和近衛第1集團軍開赴斯大林格勒。1942年8月29日，朱可夫飛到斯大林格勒並著手組織第24、第66集團軍和近衛第1集團軍的反擊行動。1942年9月3日，斯大林致電朱可夫要求立即對斯大林格勒進行突擊，以緩解當地緊張局勢。
1942年9月5日拂曉，朱可夫將3個新銳集團軍投入反擊，由於準備倉促，反擊未達到預期目標。當晚，斯大林命令朱可夫繼續衝擊。1942年9月6日，蘇聯紅軍再次發動進攻，再次失敗。1942年9月10日，蘇聯紅軍試圖從北面實施突擊，恢復同第62集團軍的聯絡，又遭到失敗。1942年9月12日，蘇聯紅軍撤至市區圍廓，外圍防禦地帶已全部喪失，德軍突破斯大林格勒城防，從南面突進到伏爾加河，把守衛城市的第62集團軍同戰場上的其他部隊分隔開來。
在高加索方向，利斯特A集團軍群以高速前進。1942年8月9日，克萊斯特第1裝甲集團軍佔領了邁柯普油田。1942年8月22日，克萊斯特的士兵在海拔18526英尺的厄爾魯斯山峰上升起了第三帝國的萬字旗。1942年8月25日，克萊斯特部又攻佔了莫茲多克，距格羅茲尼四周的蘇聯最大產油中心只有50英里，距裡海也只有100英里。1942年8月31日，希特勒要求A集團軍群司令利斯特元帥傾其所有的力量向格羅茲尼作最後進攻，儘快拿下油田。但德軍衝擊力迅速下降，進展緩慢。1942年9月9日，希特勒免去了利斯特元帥的A集團軍群司令的職務，由第1裝甲集團軍司令克萊斯特上將接任，第1裝甲集團軍司令則由麥肯森將軍繼任。克萊斯特上任後，雖然竭盡全力，也無法再前進一步。因為衝擊力喪失的主要原因是缺乏燃油。
1942年9月12日，希特勒從東普魯士飛抵烏克蘭的文尼察，召見了B集團軍群司令魏克斯上將和第6集團軍司令保盧斯上將，命令他們於1942年9月13日對斯大林格勒發起新的進攻，並決定從高加索方向抽調9個師加強給第6集團軍。
雙方巷戰
斯大林格勒方向上的軸心國部隊共有50多個師，其中直接進攻斯大林格勒的有13個師，17萬人。而蘇聯紅軍斯大林格勒方面軍和東南方面軍雖有120個師但人員缺額嚴重，實際防守斯大林格勒的是第62和64集團軍，共有9萬餘人，1000餘門火炮，50輛坦克。
1942年9月13日，德軍開始攻城。而在此之前，德軍Ju-87式轟炸機用燃燒彈將市區炸成廢墟，伏爾加河沿岸對斯大林格勒的水路增援也受到影響。保盧斯第6集團軍擔當主力，從城北實施猛烈突擊。霍特第4裝甲集團軍則從城南推進，策應保盧斯在城北的主攻。蘇聯紅軍崔可夫中將指揮的第62集團軍和舒米洛夫少將指揮的第64集團軍受領了保衛斯大林格勒市區的任務。
1942年9月14日，德軍從城北突入市區，與蘇第62集團軍展開了激烈的巷戰，雙方逐街逐樓逐屋反覆爭奪。斯大林格勒變成了一片瓦礫場，城中80%的居住區被摧毀。在滿是瓦礫和廢墟的城中，蘇聯第62集團軍頑強抵抗，在城中的每條街道，每座樓房，每家工廠內都發生了激烈的槍戰。攻入城中的德軍死傷人數不斷增加。儘管德軍對伏爾加河東岸進行頻繁的轟炸，但是蘇聯紅軍還是從那裡得到了不斷的補給和支援。剛剛趕赴城中的紅軍戰士的平均存活時間不超過24個小時，軍官也只有約三天的平均存活時間。德軍的主要戰術是各兵種聯合作戰，非常重視步兵、工程部隊、炮兵和空軍的地面轟炸的協調。為了對抗這種戰術，蘇聯紅軍指揮官崔可夫採取了貼身緊逼的策略，儘量將己方的前線與德軍貼近。這樣導致了德軍的炮兵部隊，空軍部隊(直至希特勒增派JU-87斯圖卡俯衝轟炸機為止)無法發揮遠端攻擊的優點。
蘇聯近衛航空兵11團的伊爾-2強擊機給入城德軍坦克重大殺傷。1942年9月15日，德軍對馬馬耶夫高地實施重點突擊。該高地是斯大林格勒城中的制高點，從這裡可以俯瞰和控制全城，崔可夫中將的第62集團軍司令部即設在這裡。經過一天最為殘酷的戰鬥，德軍佔領了馬馬耶夫高地。但在1942年9月16日，蘇近衛第13師渡過伏爾加河進入斯大林格勒，突然向德軍發起反衝擊，又奪回了該高地。很多重要據點雙方進行了反覆爭奪，第一火車站的爭奪戰達一週之久，德軍不顧一切，一步步向市中心逼近。
1942年9月25日，德軍佔領了市中心，1942年9月27日衝進了北部工廠區，並重新佔領了馬馬耶夫高地，但在1942年9月29日又被蘇聯紅軍奪回。以後的戰鬥更加激烈，兩方軍隊不斷地交替佔領這片高地。斯大林格勒工業區修建在丘陵中，建築物用鋼筋混凝土澆築或用石頭砌成。德軍的推進不是用公里，而是用米來衡量，德第6集團軍的一位叫漢斯·德爾的軍官在《進軍斯大林格勒》一書中寫到：“敵我雙方為爭奪每一座房屋、車間、水塔、鐵路路基，甚至為爭奪一堵牆、一個地下室和每一堆瓦礫都展開了激烈的戰鬥。其激烈程度是前所未有的。”對火車站反覆爭奪達13次之多。在一個大糧食倉庫裡，兩軍的士兵非常接近，甚至能夠聽到對方的呼吸聲，經過數個星期的苦戰，德軍不得不從這個倉庫撤走。在城中的另一個部分，由揚科夫·巴甫洛夫指揮的一個小分隊(共計6人)佔據了城中心的一座公寓樓，並頑強地進行抵抗。士兵們在大樓附近埋設了大量地雷，並在視窗安設了機槍，還將地下室的隔牆打通以便通訊。這座頑強的堡壘被蘇聯人驕傲地稱為“巴甫洛夫大樓”(最後僅剩一堵牆還留到21世紀，上面雕刻著士兵抵抗的畫面，右上角刻著58以表明他們6人堅守了58天)。
由於德軍無法看到戰鬥結束的跡象，便開始調遣包括600毫米迫擊炮等重灌甲部隊開入城內。然而在伏爾加河東岸的蘇聯火炮部隊將德軍置於其炮火籠罩之下。而城中的紅軍防禦部隊仍然利用廢墟進行戰鬥。由於城內佈滿了高達數米的瓦礫堆和廢棄建築，德國的坦克部隊毫無用武之地。此外，蘇聯的狙擊手非常成功地利用廢墟作為掩體，給德軍造成了極大傷亡。最為成功的一名狙擊手Zikan到1942年11月20日為止已經擊斃了224個敵人，而其也因此成為日後好萊塢電影《兵臨城下》中的主人翁瓦西里·扎伊採夫(Vasilly Grigoryevich Zaitsev)的原型。另外一名狙擊手也創造斃敵149人的紀錄。
對於斯大林和希特勒來說，斯大林格勒戰役都是事關成敗的關鍵一戰。蘇聯紅軍指揮部將戰略重點從莫斯科轉移到了伏爾加河地區，並且調動了全國所有的空中力量支援斯大林格勒。在9月底和10月初，蘇聯紅軍向斯大林格勒城區調去了6個步兵師和1個坦克旅;德軍則調去了20萬補充部隊，包括90個炮兵營和40個受過攻城訓練的工兵營。
雙方部隊的指揮官都承受著巨大的壓力。德軍的指揮官保盧斯得了眼部肌肉痙攣的疾病，而崔可夫也在不見日光的地下室司令部也忍受著溼疹的病痛，以至於不得不將自己雙手完全包紮起來。
此時，德軍在蘇聯南部的戰線是從庫爾斯克和沃羅涅日起，通過斯大林格勒到莫茲多克，長達1250英里以上。再加上從庫爾斯克到列寧格勒之間的800英里，德軍在蘇聯的戰線全長已在2000英里以上，而以德國的兵力和資源，根本就不足以維持如此長的戰線。特別危險的是，從斯大林格勒沿頓河上溯至沃羅涅日共長350英里，竟毫無掩護。德國自己騰不出兵力來填補這個缺口，只得在這一線部署了附庸國的3個集團軍：匈牙利第2集團軍在沃羅涅日南面;義大利第8集團軍在東南面更遠一些的位置;羅馬利亞第3集團軍在斯大林格勒正西、頓河灣曲部的右側。這使得戰線拉得非常狹長，甚至在有些地段，只有一個野戰排來防守整整1-2公里的防線。而蘇聯紅軍在伏爾加河南岸保留了幾個攻擊點，這對德軍構成了潛在的威脅。希特勒並非不知道這些裝備和戰鬥力都極差的附庸國部隊是不足以擔負這個任務的，但他卻深信只要能迅速攻克斯大林格勒，即可抽出足夠的兵力。德國陸軍參謀總長弗朗茲·哈爾德表示了憂慮和異議，認為斯大林格勒是不可陷入的，力主放棄這個作戰，並向西撤退。結果，希特勒便在9月底免去了哈爾德陸軍總參謀長的職務，任命原駐法國的德軍總司令庫爾特·蔡茨勒(Kurt Zeitzler)上將為新一任陸軍總參謀長。
1942年9月28日，蘇聯紅軍最高統帥部決定將斯大林格勒方面軍改稱頓河方面軍，司令員為羅科索夫斯基中將;東南方面軍改稱斯大林格勒方面軍，司令員為葉廖緬科上將;近衛第1集團軍擴建為西南方面軍，司令員瓦杜丁中將(Nikolai Vatutin)。副最高統帥朱可夫大將和總參謀長華西列夫斯基上將奉命祕密擬製反攻計劃。
1942年10月份一個月中，斯大林格勒一直進行著激烈的巷戰。1942年10月14日，希特勒向德軍部隊下達命令：除斯大林格勒方向外在整個蘇德戰線轉入戰略防禦。(引自《從斯大林格勒到柏林》)德軍逐屋戰鬥，從地面和地下的廢墟中找路前進，所以也被稱為“老鼠戰爭”(德語：Rattenkrieg)，甚至開玩笑說“即使我們佔領了廚房，仍然需要在客廳進行戰鬥。”對斯大林來說，是決不能讓這座以自己名字命名的城市落入德軍之手的。他親自下令給葉廖緬科上將，要求在任何情況下都要堅守該城。每一座房屋，只要有蘇聯軍人，哪怕只有一個人，也要成為敵人攻不破的堡壘。而對希特勒來說，斯大林格勒的精神價值已超過了其戰略價值，非要攻陷它不可，當新任陸軍總參謀長蔡茨勒將軍小心地向他指出第6集團軍北翼漫長的頓河戰線面臨著危險，建議將第6集團軍撤到頓河河曲時，希特勒嚴厲地回答說：“德國士兵到了哪裡，就要守到哪裡!”
經過3個月血腥的戰鬥至1942年11月初，德軍終於緩慢地推進到了伏爾加河岸，並且佔領了整座城市的80%地區，將留守的蘇聯軍隊分割成兩個狹長的口袋狀，德軍始終未能完全佔領斯大林格勒。此外，伏爾加河開始結冰，導致蘇聯不能再通過船運送補給品給城中守軍。儘管如此，馬馬耶夫高地附近的戰鬥和北部城區的工廠地帶的戰鬥依然非常激烈。其中， 紅色十月工廠、 拖拉機廠和街壘工廠的戰鬥為全世界所知曉。當蘇聯士兵與德軍進行槍戰的同時，工廠內的工人就在側旁修復損壞的坦克和其它武器，有的時候甚至就直接在戰場上修理武器。坦克由工廠的工人志願兵駕駛。這些坦克往往直接從兵工廠的生產線上開到了戰鬥前線，甚至來不及塗上油漆和安裝射擊瞄準鏡。
1942年11月11日，德軍以5個步兵師、2個裝甲師和2個工兵營在寬5公里的正面上發起強攻。戰鬥隊形高度密集。一天之內，蘇德兩軍為爭奪每寸土地、每一座房屋，都進行了異常激烈的戰鬥，雙方傷亡慘重。德軍雖然在街壘工廠以南衝到達了伏爾加河岸，但部隊已疲憊不堪，其攻勢已成強弩之末，保盧斯被迫於次日停止了進攻，修整部隊。蘇聯紅軍的損失同樣嚴重，第62集團軍的兩個師損失了75%的兵員。
根據蘇聯方面統計，從1942年7月到1942年11月的戰鬥中，德軍在頓河、伏爾加河和斯大林格勒的戰鬥中損失約70萬人，1000餘輛坦克，2000多門火炮，1400餘架飛機。
蘇聯反攻
蘇聯紅軍蘇最高統帥部自9月底開始準備大反攻，負責斯大林格勒地區總體戰略的朱可夫開始向斯大林格勒祕密大規模集結兵力。至1942年11月中旬，在斯大林格勒地域城外的南北兩側的蘇聯紅軍計3個方面軍10個諸兵種合成集團軍，1個坦克集團軍，4個空軍集團軍和若干個獨立軍、坦克軍和旅，共143個師110.6萬人，計15500門火炮和迫擊炮，1463輛坦克和強擊火炮，1350架飛機。當面的德軍B集團軍群共有80個師又3個旅，約100萬人，10290門火炮，675輛坦克，1216架飛機。
朱可夫的策略是將德軍繼續牽制在城內，然後通過打擊德軍虛弱的外側來將德軍包圍在斯大林格勒市區。1942年11月13日，斯大林批准了朱可夫和華西列夫斯基擬製的反攻計劃，並親自給這個計劃取代號為“天王星行動”，這與針對德軍中央軍群的“火星行動”相呼應。該計劃規定：西南方面軍由瓦杜丁中將指揮，其任務是從頓河西岸的謝拉莫菲維奇和克利茨卡亞地域橋頭陣地實施主攻，突破羅馬利亞第3集團軍防禦，直插頓河東岸的卡拉奇;斯大林格勒方面軍由葉廖緬科上將指揮，其任務是從斯大林格勒南面向西北突擊，突破羅馬利亞第4集團軍防禦，與西南方面軍在卡拉奇會師，完成對德第6集團軍的合圍;頓河方面軍由羅科索夫斯基中將指揮，其任務是從斯大林格勒西北面向東南實施輔助性突擊，掩護西南方面軍的主攻。反攻日期定為：西南方面軍和頓河方面軍為1942年11月19日，斯大林格勒方面軍為1942年11月20日。
1942年11月19日，蘇聯紅軍開始實施天王星行動。圖瓦京的西南方面軍和羅科索夫斯基的頓河的方面軍在紛飛的大雪中發起了反攻，瓦杜丁中將指揮的主攻部隊包括整整3個集團軍(近衛第1集團軍，第5坦克集團軍和第21集團軍)，一共由18個步兵師，8個坦克旅，2個摩托旅，6個騎兵師和1個反坦克旅組成，並得到空軍第2，第17集團軍支援。負責防衛德軍第6集團軍側翼安全的羅馬尼亞第3集團軍，由於在數量上處於絕對劣勢並且缺乏精良裝備，僅僅在戰鬥發起一天之內羅馬利亞第3集團軍的陣地便被蘇聯紅軍突破。
與此同時，頓河方面軍實施了兩個輔助突擊，以第65集團軍從克列茨卡亞以東地區向東南突擊，以第24集團軍從卡恰林斯卡亞地區沿頓河左岸向韋爾佳奇方向向南突擊，割裂頓河小彎曲部德軍與斯大林格勒德軍的聯絡。第66集團軍在斯大林格勒以北地區原地防禦。頓河方面軍得到蘇聯空軍第16集團軍支援。
1942年11月20日，葉廖緬科的斯大林格勒方面軍第51、57、64集團軍也在南部轉入反攻，突破了防衛該地區的羅馬利亞第4集團軍的防線，主要由騎兵組成的羅馬尼亞人迅速被殲滅。此後蘇聯紅軍迅速向北直趨卡拉奇。22日，西南方面軍開始分批渡過頓河。1942年11月23日，西南方面軍和斯大林格勒方面軍在卡拉奇會師，從而完成了對斯大林格勒的包圍。至1942年11月30日，蘇聯紅軍3個方面軍將德第6集團軍的5個軍22個師，羅馬尼亞和義大利部隊以及部分克羅地亞軍隊共約27萬人合圍在斯大林格勒1500平方公里的地域內，第6集團軍只有約5萬人的部隊被分割在包圍圈之外。
當德軍最高統帥部接到蘇聯紅軍發起反攻的訊息後，陸軍總參謀長蔡茨勒將軍力勸希特勒下令保盧斯撤出斯大林格勒。然而，空軍司令戈林元帥卻向希特勒保證說，他可以保證空軍有能力通過“空中橋樑”為第6集團軍的空中補給。事實證明德國空軍根本沒有提供如此大規模部隊的供給的運輸能力，其每天300噸的運輸上限也無法滿足每天700噸的需求。但希特勒仍然支援戈林的計劃，希特勒遂命令保盧斯堅守陣地，第6集團軍必須留在斯大林格勒，並命令他這個集團軍今後改稱“斯大林堡壘”集團軍。由於惡劣天氣和蘇聯紅軍防空火力，空投計劃很快就遭受失敗。據統計，德軍只得到10%左右的所需物資，第6集團軍漸漸感受到飢餓的威脅。另一面，蘇聯紅軍在不斷加強對斯大林格勒的包圍圈，並開始縮小包圍圈的行動。
1942年11月21日，希特勒下令將曼施泰因元帥的第11集團軍擴建為頓河集團軍群，由曼施泰因元帥任司令，並把保盧斯第6集團軍、霍特第4裝甲集團軍和羅馬利亞第3、第4集團軍交與他指揮。希特勒在命令中指示：“頓河集團軍群當前的任務，就是使敵軍的攻勢停頓，並奪回原已失去的陣地。”曼施泰因認為，德軍唯一成功的機會在於第6集團軍從斯大林格勒向西南突圍，霍特第4裝甲集團軍則從斯大林格勒以南的科捷爾尼科沃向東北進攻，夾擊葉廖緬科的斯大林格勒方面軍，然後再旋轉過來攻擊圖瓦京的西南方面軍的右翼。但1942年11月30日，希特勒在一次公開演說中表示決不會從斯大林格勒撤退，並且再次強調被圍困的部隊決不能投降，而曼施泰因必須殺開一條血路，打到斯大林格勒。
1942年12月12日，曼施泰因元帥懷著沉重的心情，發起了代號為“冬季風暴”的反攻。德軍以霍特第4裝甲集團軍為先導，於1942年12月16日突破了蘇聯紅軍第51集團軍在阿克賽河上的防線。至1942年12月19日，第4裝甲集團軍所屬的第57裝甲軍已突進到離南面包圍圈30英里以內的地方。此時，曼施泰因發現自己也有被數倍於己的蘇聯紅軍包圍的危險。於是，他決定不顧希特勒的將令，下令保盧斯立即向南突圍與第4裝甲集團軍會合。然而保盧斯在沒有接到希特勒的直接命令之前，沒有突圍的意圖，他以燃料不足為由拒絕了曼施泰因的命令，放棄了這最後一次機會。1942年12月27日，蘇聯紅軍發動強大反擊將霍特第4裝甲集團軍擊退150～200公里，終於使其退回了原來的陣地，迫使德軍統帥部最後放棄解救被圍集團的企圖。曼施泰因的“冬季風暴”宣告失敗。當時溫度已降到零下45攝氏度。伏爾加河面的冰層逐漸變厚，因此蘇聯紅軍可以更加便利地補給己方部隊。而包圍圈中的德第6集團軍的空運補給越來越少，平均每天不到100噸。德第6集團軍瀕於彈盡糧絕的境地。口糧的分配已減到了能夠維持生活的標準之下;炮兵的彈藥開始感到缺乏;醫藥品和燃料都已經用盡;數千人患上傷寒和痢疾，而凍傷的人就更多，每天都有數千名士兵死於飢餓、嚴寒和營養失調。一些軍官試圖說服保盧斯不顧希特勒的命令而迅速突圍。但是保盧斯害怕背上違抗軍令的罪名，因此堅持按兵不動。1942年12月29日，保盧斯派第14軍軍長鬍比中將飛出包圍圈去晉見希特勒，把第6集團軍的情況當面向元首彙報。但希特勒還是命令第6集團軍死守斯大林格勒，直到1943年春天為止。同日，由於蔡茨勒的一再要求，希特勒終於同意把A集團軍群從高加索撤出。
德軍覆滅
1943年1月，蘇聯紅軍發起了又一輪攻勢，代號為“木星行動”，試圖突破頓河地區的義大利軍防線，並攻取羅斯托夫。如果這次行動成功，德軍南部集團軍的餘部將被完全圍困在高加索地區。蘇聯紅軍雖然始終未能接近羅斯托夫，但是這次行動迫使德軍與斯大林格勒包圍圈內的德軍相隔250公里以上的距離。事實上，第6集團軍已經完全失去了增援。
1943年1月8日，蘇頓河方面軍司令員羅科索夫斯基中將向德第6集團軍司令保盧斯上將發出最後通牒，敦促其投降。保盧斯電告希特勒，要求准予他相機行事，被駁回。10日，羅科索夫斯基的頓河方面軍向被圍的德第6集團軍發起了代號為“指環”的進攻，深陷重圍的德軍開始從斯大林格勒郊區向城區收縮防守。1943年1月22日，蘇聯紅軍佔領了古門拉克機場(Gumrak)，第6集團軍的空運補給完全運輸和傷員撤退行動的徹底中斷了。雖然食物和彈藥都極度匱乏，德軍仍然頑強抵抗，因為他們相信蘇聯人會處死投降的軍人。在斯大林格勒城中再次爆發了激烈的巷戰。相反，蘇聯人也被包圍圈中的德軍龐大的數量感到驚訝，因此繼續鞏固包圍圈。保盧斯向希特勒報告說：“部隊已不能支援了，繼續抵抗已毫無意義，請準允我們投降。”他得到的答覆是：“投降是不可能的，第6集團軍應在斯大林格勒盡到其英勇的責任，直到最後一人為止。”曼施泰因力勸希特勒批准第6集團軍殘部投降，而希特勒向曼施泰因解釋說，不允許投降，“一來即使包圍圈中的德軍分成幾個較小的單位，也還可以抵抗相當長的時間;二來，俄國人根本不會遵守對第6集團軍投降後所許下的諾言。”1943年1月30日，希特勒授予保盧斯德國陸軍元帥節杖，以鼓勵其繼續抵抗下去。他對約德爾說：“在德國曆史上，還從來沒有元帥被生俘的。”希特勒也希望保盧斯能夠戰鬥到底或自殺殉國。1943年1月31日，保盧斯向總部發出最後一份電報：“第6集團軍忠於自己的誓言並認識到自己所負的極為重大的使命，為了元首和祖國，已堅守自己的崗位，打到最後一兵一卒，一槍一彈。”但是，當蘇聯紅軍攻入德軍設在百貨商場內的司令部時，保盧斯選擇了投降。同日，蘇聯紅軍第64集團軍的第38摩步旅打到了保盧斯的司令部，“第六集團軍無線電臺即將關閉!俄軍已經攻佔!打垮布林什維克萬歲，天佑德意志!”1943年2月1日，被包圍的第六集團軍司令部發報員自己決定向柏林發出了最後一封感動德國人的著名電報，最後用國際電碼寫上“CL”，表示“本臺停止發報”。蘇聯紅軍在地下室外令第6集團軍司令部人員投降，第6集團軍參謀長施密特將軍接受了要求。施密特問保盧斯：“請問陸軍元帥，還有什麼話要說嗎?”保盧斯無話可說，只好投降。1943年2月2日，被圍困在斯大林格勒城北的第11軍殘部也宣佈投降。至此，斯大林格勒會戰結束。德第6集團軍司令保盧斯元帥，步兵第4軍軍長普費費爾中將、第51軍軍長庫爾茨巴赫中將、第295師師長科爾費斯少將等23位將官，2000名校級以下軍官和91000名極度飢餓勞累的德軍士兵被俘，約14萬人死亡，只有3萬餘傷患者事先陸續空運撤出。
讓蘇聯紅軍大為驚喜但同時讓德軍極為失望的是，戰俘中包括22名將軍。希特勒對這位新陸軍元帥極為失望，並公開說“保盧斯差一步就要跨入光榮的殿堂，但是他還是選擇了退卻。”沒有明確的證據表明日德戰俘受到嚴重的虐待導致大面積死亡。但是，據統計降的91000名戰俘中，戰後只有13000人左右返回了德國，其中有5000多人返回了西德，另有7000多人在東德。由於大多數士兵本身已經營養不良，缺乏醫治，加上紅軍將他們發配到蘇聯各地的戰俘營中進行強制勞動，使得大多數人死於過度勞累和營養不良。十幾位高階軍官被帶往莫斯科，用作蘇聯的政治宣傳工具。包括保盧斯在內的軍官們發表了反希特勒宣言，並向德軍部隊大肆宣傳。瓦爾特·馮·塞德利茨·庫爾茨巴赫將軍甚至提出從德軍戰俘中組建一支反希特勒軍隊，但是蘇聯沒有接受這個建議。直到1955年，這些高階戰俘才被遣送回國。
儘管在戰役結束前數星期，德國的官方媒體已經停止報道相關的不利訊息，但德國民眾還是直到1943年1月底，才了解到在斯大林格勒發生的悲劇。這並不是德軍遭受的第一次打擊，但是這次失敗無論在規模還是在戰略意義上，都是其它戰役不可比擬的。1943年2月18日，德國宣傳部長約瑟夫·戈培爾在柏林發表了著名的Sportpalast演說，鼓動德國國民接總體戰的理念，即利用全國的一切資源和力量來戰鬥到底。