具備了發動大規模反攻的必要條件。1942年11月7日，斯大林宣告：〃敵人嚐到紅軍新打擊力量的日子已經不遠了〃。
1942年11月19日清晨，蘇軍首先進行了80分鐘的炮擊，然後以坦克部隊為先導開始大舉反攻。11月22日夜間，蘇軍收復頓河橋樑，3天內34個師渡過頓河。之後，蘇軍兵分兩路，一路向西急進，直插德軍後方；另一路向南直奔卡拉奇，於23日晨收復該市，當晚與蘇聯西南方面軍會師，從而將斯大林格勒地區的德軍22個師包圍起來。
蘇聯的強大反攻打得德軍暈頭轉向。希特勒一面電令被包圍的德國第6集團軍司令鮑里斯穩住防線，一面急忙從各地戰場上收羅了一些兵力，組成〃頓河〃集團軍，調來曼斯坦元帥擔任指揮，準備解救德國第6集團軍。
12月12日，德國援軍從科傑尼科夫斯基出發，不顧一路傷亡，向斯大林格勒猛衝。12月19日，曼斯坦德軍突破重重阻截，抵達梅什科瓦河，距離斯大林格勒只有40公里。曼斯坦隨即命令鮑里斯向西南突圍，但是，被圍德軍已經精疲力竭，需要準備幾天才能突圍。而此時蘇軍已經突破義大利軍的防線，揮師南下，直插曼斯坦德軍的後方。曼斯坦為求自保，不得不向南撤退，同時電告鮑里斯停止突圍。蘇軍乘勝追擊，於12月29日收復了科傑尼科夫斯基，徹底粉碎了德軍的解圍計劃，被圍德軍已成甕中之鱉。
被圍的30萬德軍每天需要750噸給養物資，但是德國空軍每天只能送來100噸。因此，德軍很快就出現了饑荒，彈藥缺乏。包圍圈逐漸縮小，德軍傷亡與日俱增，傷員得不到照顧而奄奄一息，成千上萬計程車兵被凍死。掙扎到1943年初，德軍每人每天只能分到1片面包，喝的是雪水，每人每天只有30發子彈，坦克缺少燃油而無法發動，大炮缺少炮彈。飢寒交迫的德軍蜷縮在冰凍的戰壕裡，普遍厭戰，先後有360名德軍因為拒絕作戰而被處死。
1943年1月8日，蘇軍向德軍發出要求投降的最後通牒。鮑盧斯遵照希特勒的命令拒絕了。1月10日凌晨，蘇軍5000門大炮開始轟擊德軍，蘇軍坦克和步兵發起攻勢。德軍全線