当苏联士兵与德军进行枪战的同时，工厂内的工人就在侧旁修复损坏的坦克和其他武器，有的时候甚至就直接在战场上修理武器。坦克由工厂的工人志愿兵驾驶。这些坦克往往直接从兵工厂的生产线上开到了战斗前线，甚至来不及涂上油漆和安装射击瞄准镜。眼看天气就要冷下来，希特勒要求几乎没有多少越冬物资储备的保卢斯在冬天来临之前拿下斯大林格勒。11月11日，保卢斯在斯大林格勒城区内，向苏军据守的阵地发动了最后一次大规模进攻。德军以5个步兵师、2个装甲师和2个工兵营在宽5千米的正面上发起强攻。战斗队形高度密集。一天之内，苏德两军为争夺每一寸土地、每一座房屋，都进行了异常激烈的战斗，双方伤亡惨重。德军虽然在街垒工厂以南冲到了伏尔加河岸，但部队已疲惫不堪，其攻势已成强弩之末，保卢斯被迫于次日停止了进攻，修整部队。而几天后，苏军就发起了全线大反攻。
斯大林格勒大反攻
苏军最高统帅部自9月底开始准备大反攻，负责斯大林格勒地区总体战略规划的苏军统帅朱可夫开始向斯大林格勒秘密大规模集结兵力。至11月中旬，在斯大林格勒地域城外的南北两侧的苏军共计有3个方面军143个师110.6万人，共计有15500门火炮和迫击炮，1463辆坦克和强击火炮，1350架飞机。
朱可夫的策略是将德军继续牵制在城内，然后通过打击德军虚弱的外侧来将德军包围在斯大林格勒市区。11月13日，斯大林批准了朱可夫和华西列夫斯基拟制的反攻计划，并亲自给这个计划取代号为“天王星行动”，这与针对德军中央集团军群的“火星行动”相呼应。该计划规定：西南方面军由图瓦京中将指挥，其任务是从顿河西岸的绥拉菲摩维奇和克利茨卡亚地域的桥头阵地实施主攻，突破罗马尼亚第三集团军的防御，直插顿河东岸的卡拉奇；斯大林格勒方面军由叶廖缅科上将指挥，其任务是从斯大林格勒南面向西北突击，突破罗马尼亚第四集团军的防御，与西南方面军在卡拉奇会师，完成对德军第六集团军的合围；顿河方面军由罗科索夫斯基中将指挥，其任务是从斯大林格勒西北面向东南实施辅助性突击，掩护西南方面军的主攻。反攻日期定为：西南方面军和顿河方面军为11月19日，斯大林格勒方面军为11月20日。
1942年11月19日，苏军开始实施天王星行动。图瓦京的西南方面军和罗科索夫斯基的顿河方面军在纷飞的大雪中发起了反攻，瓦图京中将指挥的主攻部队包括整整3个军团（第一近卫军团，第五坦克军团和第二十一军团），一共由18个步兵师，8个坦克旅，2个摩托旅，6个骑兵师和1个反坦克旅组成。在进攻的前夕，罗马尼亚部队似乎已有所察觉，不断向总部要求增援，但是遭到德军总部拒绝。负责防卫德军第六军团侧翼安全的罗马尼亚第三军团，由于在数量上处于绝对劣势并且缺乏精良装备，仅仅在战斗发起的一天之内，罗马尼亚第三集团军的阵地便被苏军突破。很快苏军向前推进了20多千米。
11月20日，叶廖缅科的斯大林格勒方面军也在南部转入反攻，突破了防卫该地区的罗马尼亚第四集团军的防线，主要由骑兵组成的罗马尼亚军队迅速被歼灭。此后苏军迅速向北直趋卡拉奇。22日，西南方面军开始分批渡过顿河。23日，西南方面军和斯大林格勒方面军在卡拉奇会师，从而切断了德军第六集团军的后方交通线，完成了对斯大林格勒的包围。至30日，苏军3个方面军将德军第六集团军的第四、第八、第十一、第五十一步兵军和第十四装甲军计5个军22个师，罗马尼亚和意大利部队以及部分克罗地亚军队共约27万人合围在斯大林格勒1500平方千米的地域内，德军第六集团军只有约5万人的部队被分割在包围圈之外。
当德军最高统帅部接到苏军发起反攻的消息后，陆军总参谋长蔡茨勒将军力劝希特勒下令保卢斯撤出斯大林格勒，他几乎已经把元首说服了。然而，空军司令戈林元帅却向希特勒保证说，他可以保证空军有能力通过“空中桥梁”为第六集团军投放空中补给，要多少有多少。然而这次空投任务的规模却远远超出了戈林的想象。德军第六集团军几乎相当于普通德国集团军的两倍，另外，同时被包围的还有第四装甲集团军的一部分。事实证明德国空军根本没有提供如此大规模部队供给的运输能力。
在克里特岛战役后，德国空军的实力一直未能得到恢复，而且其每天300吨的运输上限也无法满足每天700吨的需求。但希特勒仍然支持戈林的计划，希特勒遂下令保卢斯坚守阵地，第六集团军必须留在斯大林格勒，并命令该集团军今后改称“斯大林堡垒”集团军。空投计划很快就遭到失败。严酷的天气条件和苏军强大的防空炮火使德军的空中桥梁无法得以维系。据统计，德军只得到10%左右的所需物资，而且这些运输飞机还要从包围圈中运送伤病员回到后方。德军第六集团军渐渐感受到饥饿的威胁。而另一方面，苏军在不断加强对斯大林格勒的包围圈，而且开始缩小包围圈。
11月21日，希特勒下令将曼施坦因元帅的第十一集团军扩建为顿河集团军群，由曼施坦因元帅任司令，并把保卢斯的第六集团军、霍特的第四装甲集团军和罗马尼亚第三、第四集团军交与他指挥。希特勒在命令中指示：“顿河集团军群当前的任务，就是使敌军的攻势停顿，并夺回原已失去的阵地。”这实际上是一个不可能完成的任务。
曼施坦因认为，德军唯一成功的机会在于第六集团军从斯大林格勒向西南突围，霍特的第四装甲集团军则从斯大林格勒以南的科捷利尼科沃向东北进攻，夹击叶廖缅科的斯大林格勒方面军，然后再旋转过来攻击图瓦京的西南方面军的右翼。但11月30日，希特勒在一次公开演说中表示决不会从斯大林格勒撤退，并且再次强调被围困的部队决不能投降，而曼施坦因必须杀开一条血路，打到斯大林格勒。
12月12日，曼施坦因元帅怀着沉重的心情，发起了代号为“冬季风暴”的反攻。德军以霍特的第四装甲集团军为先导，于12月16日突破了苏军第五十一集团军在阿克塞河上的防线。至12月19日，德军第四装甲集团军所属的第五十七装甲军已突进到离南面包围圈18千米以内的地方。此时，曼施坦因发现自己也有被数倍于己的苏军包围的危险。于是，他决定不顾希特勒的命令，下令保卢斯立即向南突围与第四装甲集团军会合。
然而保卢斯在没有接到希特勒的直接命令之前，没有突围的意图，他以燃料不足为由拒绝了曼施坦因的命令，放弃了这最后一次机会。12月27日，苏军发动强大的反击将霍特的第四装甲集团军击退150—200千米，终于使其退回到原来的阵地，迫使德军最高统帅部最后放弃解救被围德军的企图。曼施坦因的“冬季风暴”行动宣告失败。
俄罗斯严酷的冬季开始展现其恐怖的威力，天气更为恶劣，温度已降到-45℃。伏尔加河面的冰层逐渐变厚，因此苏军可以更加便利地补给己方部队。而包围圈中的德军第六集团军的空运补给越来越少。德军每日需700吨的补给量，而戈林实运到的平均每天不到100吨。德军第六集团军濒于弹尽粮绝的境地。口粮的分配已减到了能够维持生存的标准之下；炮兵的弹药开始缺乏；医药品和燃料都已经用尽；数千人患上了伤寒和痢疾，而被冻伤的人就更多，每天都有数千名士兵死于饥饿、严寒和营养不良。一些军官试图说服保卢斯不顾希特勒的命令而迅速突围。但是保卢斯害怕背上违抗军令的罪名，因此坚持按兵不动。12月29日，保卢斯派第十四军军长胡比中将飞出包围圈去晋见希特勒，把第六集团军的情况当面向元首汇报。但希特勒还是命令第六集团军死守斯大林格勒，直到明年春天为止。同日，由于蔡茨勒的一再要求，希特勒终于同意把A集团军群从高加索撤出。
1943年1月，苏军发起了又一轮攻势，代号为“木星行动”，试图突破顿河地区的意大利军防线，并攻取罗斯托夫。如果这次行动成功，德军南部集团军的余部将被完全围困在高加索地区。苏军虽然始终未能接近罗斯托夫，但是这次行动迫使德军南部集团军与斯大林格勒包围圈内的德军相隔250千米以上的距离。事实上，德军第六集团军已经完全失去了增援。
1月8日，苏军顿河方面军司令员罗科索夫斯基中将向德军第六集团军司令保卢斯上将发出最后通牒，敦促其投降。保卢斯电告希特勒，要求准予他相机行事，但希特勒驳回了他的请求。10日，罗科索夫斯基的顿河方面军向被围的德军第六集团军发起了代号为“指环”的进攻，深陷重围的德军开始从斯大林格勒郊区向城区收缩防守。
1月22日，苏军占领了古门拉克机场，德军第六集团军的空运补给运输和伤员撤退行动彻底中断了。德军的食物和弹药都极度匮乏。尽管如此，德军仍然顽强抵抗，因为他们相信苏军会处死投降的军人。在斯大林格勒城中再次爆发了激烈的巷战。相反，苏军也为包围圈中的德军庞大的数量感到惊讶，因此继续巩固包围圈。保卢斯向希特勒报告请求准允其投降，而他得到的答复是：“投降是不可能的，第六集团军应在斯大林格勒尽到其英勇的责任，直到最后一人为止。”1月30日，希特勒授予保卢斯德国陆军元帅节杖，以鼓励其继续抵抗下去。他对约德尔说：“在德国历史上，还从来没有元帅被生俘。”希特勒也希望保卢斯能够战斗到底或自杀殉国。1月31日，保卢斯向总部发出最后一份电报：“第六集团军忠于自己的誓言并认识到自己所负的极为重大的使命，为了元首和祖国，已坚守自己的岗位，打到最后一兵一卒，一枪一弹。”但是，当苏军攻入德军设在百货商场内的司令部时，保卢斯选择了投降。
1943年2月2日，被围困在斯大林格勒城北的德军第十一军残部也宣布投降。至此，斯大林格勒会战结束。德军第六集团军司令保卢斯元帅、第五十一军军长库尔茨巴赫中将、第二九五师师长科尔费斯少将等23位将官，2000名校级以下军官和91
000名极度饥饿劳累的德军士兵被俘，约14万人死亡，只有3万余伤兵事先陆续空运撤回德国。
尽管在战役结束前数星期，德国官方媒体已经停止报道相关的有利消息，但德国民众还是直到1943年1月底，才了解到在斯大林格勒发生的悲剧。这并不是德军遭受的第一次打击，但是这次失败无论在规模还是在战略意义上，都是其他战役不可比拟的。
兵家看点
斯大林格勒位于伏尔加河下游河湾处。伏尔加河与顿河成“儿”字形，左边一画是顿河，向西南注入亚速海，右边一画是伏尔加河，向东南注入里海。这种地形有利于斯大林格勒的守军依靠河流进行防御，并且通过河流进行补给。而半包围的态势，更有利于守军进行大规模反击，夺取战争的主动权。
斯大林格勒是苏联南部的政治、经济、文化中心，水陆交通的中转站，也是来自高加索的石油转运站和重要的军事工业基地。如果德军拿下了斯大林格勒，就等于卡住了苏联的脖子，因此斯大林格勒具有重要的战略意义。