因為蘇軍在1942年11月19日—11月22日的天王星行動，大約265,000名德國及羅馬尼亞士兵、克羅埃西亞第369加強步兵團及其它志願附屬部隊，包括4萬的蘇聯志願者部隊發現自己被包圍在一個口袋中，在包圍圈中同時還有依然存活的蘇聯平民—大約10,000人，及數千名在戰役中被德軍俘虜的蘇聯戰俘。

根據1942年11月19日是第6集團軍共20個師（平均每師兵力為9,000人）和100營級單位，德軍在包圍圈中的兵力大約210,000人。在口袋裡，也有大約10,000名蘇聯平民和幾千名被德軍俘虜的蘇聯士兵。

並不是所有隸屬第6集團軍的德國士兵被圍困；有50,000人沒有被包圍在口袋內。這些大多屬於在義大利和羅馬尼亞軍隊、屬於第6集團軍的另外2個師：第62和第298步兵師。在這210,000名德軍士兵中，10,000人仍在繼續戰鬥、105,000人投降，35,000人被空運撤離、其餘60,000人死亡，大部分是在被蘇軍包圍11週期間陣亡或在戰役結束時無法投降而自殺的。包圍的蘇聯紅軍立即組成2條防衛線，1條內對壘線面向裡面，以阻止所有突圍的嘗試，及另1條外對壘線，以防止任何救援行動。

阿道夫·希特勒於9月30日發表公開演說，表示沒有任何力量可以將德軍從這個城市趕走。在蘇軍完成包圍後的1次簡短會議上，德軍高層建議立即向頓河以西突圍來建立新的戰線，但當時希特勒正與德國空軍總司令戈林一同在巴伐利亞上薩爾茨堡山上貝希特斯加登別墅，當希特勒問問題時，戈林在被漢斯·耶匈尼克說服後回答德國空軍能建立空中橋樑為第6集團軍進行補給，這令在城中的德軍於救援部隊尚在集結時可以繼續戰鬥。

類似的計劃在一年前於德米楊斯克包圍戰中曾獲得成功，儘管規模要小得多：在德米楊斯克的是一個軍而不是整個集團軍；還有蘇軍戰鬥部隊在過去一年無論在素質及數量均有很大的改善，但是當提到在德米楊斯克成功的空運作戰令希特勒加強其個人想法及在之後數年被赫爾曼·戈林贊同。

德國國防軍空軍第4航空隊司令，沃爾弗拉姆·馮·里希特霍芬曾嘗試推翻這個決定但不成功。第6集團軍是當時全世界規模最大的集團軍級單位及比一般德國集團軍大兩倍，還有第4裝甲集團軍的一個軍被圍，這些部隊將必須由空運進行補給，可以顯而易見對包圍圈進行空運是不可能的–最高的106.6噸日運輸量是遠低於每日最少800噸的需要數字。

為補充數量有限的Ju 52運輸機，德國人利用一些不足以擔任運輸機角色的飛機，例如He 177轟炸機（一些轟炸機可足夠擔任該任務– He 111轟炸機被證明可擔任運輸機角色及在速度上比Ju 52更快），但希特勒支援戈林的計劃及向被圍部隊發出不準投降的命令。

空運補給的計劃失敗，惡劣的天氣情況、技術上的失敗、蘇軍高射炮的強大火力和戰鬥機的攔截導致德軍損失488架飛機。德國空軍甚至未能達到每天供應117噸的供應量，平均每日只有85噸補給物資被運到被圍的德軍手中。最成功的一天，12月19日154個航班，交付了289短噸（262噸）的物資；補給物資有時甚至沒有什麼用處：一架飛機運來20噸伏特加及夏季軍服，另一個是黑胡椒和馬玉蘭。

安全降落的運輸飛機被用來從包圍圈撤離技術專家和生病或受傷的士兵（共有約42,000人被撤走）。第6集團軍慢慢地餓死，飛行員十分震驚地發現部隊因過於疲憊及飢餓而沒有能力卸下補給品，蔡茨勒將軍因看見在斯大林格勒部隊的困境而感動，開始限制自己每日的口糧餐次，幾周後這種飲食次數令他變得非常憔悴，後來在希特勒惱怒的親自命令下，才再開始吃正常的飲食次數。

組織空運的代價是巨大的，共損失了266架Ju 52運輸機，佔蘇德戰線上總數的三分之一，空運中亦損失了165架He 111轟炸機，其它損失包括42架Ju 86轟炸機、9架Fw 200"禿鷹"、5架He 177轟炸機及1架Ju 290飛機。德國空軍亦失去了1,000名經驗豐富的轟炸機機組人員。

德國空軍如此沉重的損失，令第4航空艦隊的4個空運單位被解散。

德國空軍的損失

在1942年11月24日至1943年1月31日為在斯大林格勒第6集團軍進行補給而損失及從損傷中修復的飛機數字：

飛機損失數字飛機型號

269 Ju 52運輸機

169 He 111轟炸機

42 Ju 86轟炸機

9 Fw 200偵察機

5 He 177轟炸機

1 Ju 290運輸機

共495架飛機 ，相等於5個飛行中隊及超過1個航空軍

這些損失相等於參加部隊百分之五十的兵力，此外，空中補給已經因訓練計劃而停止和德國空軍在戰爭中其他戰區的出擊架次已大大減少以節省燃料使用在斯大林格勒。

蘇聯部隊為集中他們在斯大林格勒周圍的部隊及開始進行激烈的戰鬥以縮小包圍圈。12月12日發動的冬季風暴行動是一次德軍嘗試從南方救援被圍的部隊的行動，在12月23日被蘇軍成功地瓦解了。惡劣的俄羅斯冬季的影響浮現，伏爾加河河面結冰，令蘇軍更容易進行補給，被圍的德軍迅速的消耗了取暖燃料和醫療用品，數千士兵因凍傷、營養不良和疾病而死去。

12月16日，蘇軍實施第二次進攻，即土星行動，這行動是嘗試突破軸心國在頓河的防線及攻佔頓河畔羅斯托夫，如果成功，這一攻勢將圍困在高加索地區的其餘南方集團軍群，即整個在俄羅斯德國軍隊的三分之一，德軍建立了機動防禦以小量單位防守城鎮直至支援的裝甲部隊到達。

15個師的蘇軍聯在最少100輛坦克的支援下從馬蒙的橋頭堡出發，攻擊義大利的科塞里亞及拉文納師，雖然處於1對9的劣勢，義大利軍一直抵抗至12月19日才因駐蘇義大利軍總司令部下令下才撤走。而蘇軍未曾接近頓河畔羅斯托夫，但戰事卻迫使馮·曼施坦因從高加索撤出A集團軍群及重建由斯大林格勒向西延伸長達250公里的戰線。而塔特辛斯卡亞的突擊行動亦導致德國空軍損失了數量可觀的運輸機。

第6集團軍現在已沒有希望獲得任何的援助，在斯大林格勒的德軍沒有被告知這一點，相反，並繼續認為增援正在途中。一些德軍軍官要求保盧斯違抗希特勒的命令，不再堅守及嘗試突破在斯大林格勒的包圍圈，保盧斯拒絕，因為他憎惡不服從命令的想法。

而且，儘管在頭幾個星期利用機械化部隊實施突圍是有可能，但第6集團軍現在缺乏汽油及德軍士兵在惡劣的俄羅斯冬季下徒步突破蘇軍戰線將是非常困難的。

在包圍圈中的德軍從斯大林格勒的郊外住宅區撤入市內。於1月16日在皮託尼克及1月25日或1月21日晚至1月22日在古姆拉克兩個飛機場的失陷，導致德空運補給及撤出傷兵的行動終結。3個也是最後1個可使用的跑道是在斯大林格勒飛行學校，在這裡最後1次降落及失陷是在1月22日晚上至1月23日，在1月23日拂曉後，除空投彈藥和食物外再沒有更多關於起降的報導直到戰役結束。

德軍現在不但陷於飢餓中，而且缺乏彈藥。但是他們繼續頑抗，部分原因是因為他們認為蘇軍將處死任何投降的人，特別是所謂的志願助理人員，他們是協助德軍作戰的蘇聯公民，他們在被俘時已經對自己的命運不抱任何幻想。

蘇軍最初對被圍的德軍人數感到意外，因此對包圍部隊實施增援。血腥的城市戰在斯大林格勒再次展開，但這一次是德軍被迫向伏爾加河岸邊，他們在工廠區建立防禦工事及蘇軍幾乎遇到他們在1個多月自己做出，同樣咬牙切指般凶猛的抵抗，德軍在視窗上使用一項簡單的固定導線網保護自己免受手榴彈攻擊，蘇軍的迴應是將手榴彈固定在魚勾上使手榴彈被丟擲時勾在導線網上。

德軍現在於城內沒有可使用的坦克，這些坦克現在被當作固定大炮使用以發揮最大效用，蘇軍沒有在這些地區使用坦克，因為廢墟般的市區影響它們的機動性。1名蘇軍特使在1月24日向保盧斯提出優厚的投降條款：如果他在24小時內投降，他將得到蘇軍提出保障所有戰俘的安全、對所有傷病員作出醫治、所有戰俘均可保留個人物品、提供正常的口糧及在戰爭結束後遣返他們希望到達任何國家的保證——但是保盧斯，因希特勒“不得投降”的命令，而沒有迴應，直接導致第6集團軍的毀滅。

1943年1月30日，是希特勒獲得權力10週年紀念，希特勒希望保盧斯會戰鬥到死或自殺，所以他晉升保盧斯為德國陸軍元帥，因為德國曆史上沒有任何元帥成為戰俘，但是當蘇軍於翌日接近他設在已成廢墟的百貨商場內的司令部時，保盧斯投降，在斯大林格勒北部剩下的軸心國軍隊於1943年2月2日投降；91,000名勞累、染病及飢餓的士兵被俘虜，包括3,000名羅馬尼亞士兵，他們來自羅馬尼亞第20步兵師、第1騎兵師及沃伊上校支隊。

令蘇軍驚喜及納粹德國失望的是，俘虜中包括22名將軍，希特勒對他的將軍們極為憤怒地說道：“保盧斯本來可以擺脫所有的痛苦並保有不朽的榮譽，但他寧願到莫斯科去！”

直至1943年1月底，德國傳媒都不公佈災難的任何訊息，雖然正面的媒體報導已經在數星期前終止。斯大林格勒標誌著納粹德國政府首次承認其武裝力量在戰爭中失敗；這不是德國軍事第一次遭到重大挫折，但在斯大林格勒的慘敗在規模上以至是戰略意義上均是德國曆史上從未有過和無與倫比的。1月31日，德國國家電臺正常的廣播節目被以播放由安東·布魯克納所作憂鬱慢版的第7交響曲代替，之後再宣佈在斯大林格勒戰敗的訊息。

1943年2月18日，納粹德國宣傳部長約瑟夫·戈培爾在柏林發表其著名的體育宮講話，是德國首次有領導人承認，德國面臨了前所未有的重大危機，並且鼓勵德國人接受總體戰的理念，動員全國人口的所有資源及力量戰鬥到底。

根據德國紀錄片“斯大林格勒”指出，超過11,064名士兵在1943年1月31日正式投降時拒絕放下武器投降，大概他們認為因戰鬥而陣亡是優於在蘇軍集中營緩慢地死去。他們躲藏在地下室和下水道繼續抵制，但在1943年3月初，剩餘的小型部隊和孤立的包圍圈內的部隊亦投降。根據前蘇聯的情報檔案中顯示，在這時期共有2,418人被打死及8,646人被俘。