战役初期
1942年5月8日，曼施坦因上将指挥的德第11集团军首先在克里米亚发起了攻势，一周后占领了刻赤半岛，俘虏苏联红军17万人。7月4日，守卫塞瓦斯托波尔要塞的近10万苏联红军被迫向德军投降，德军占领了整个克里米亚。5月12日，当刻赤半岛正在激战之际，铁木辛哥元帅指挥西南方面军和南方方面军，共约45个师，分别从哈尔可夫的东北和东南两面向哈尔可夫发起进攻。进攻开始时发展顺利，突破了德军防御，并于3昼夜内前进了25—50公里。斯大林很高兴，并据此谴责总参谋部，说险些因为总参谋的固执己见而取消了一次如此顺利的战役。但斯大林没能高兴多久。5月17日，德军克莱斯特第1装甲集团军在第17和第6两个集团军支援下，从哈尔可夫南面向苏联红军侧翼发起反攻，并于5月23日合围了苏南方方面军的第9、第57集团军、西南方面军的第6集团军和博布金战役集群。至5月29日，被围苏联红军大部被歼。苏联红军西南方面军副司令员科斯坚科中将、第57集团军司令员波德拉斯中将、第9集团军司令员戈罗德扬尼斯中将、战役集群司令员博布金少将阵亡。苏联红军共有25万人被俘，损失坦克1249辆，火炮2026门。
哈尔科夫战役拉开了斯大林格勒会战的序幕，德军在克里木和哈尔科夫的胜利使苏联来之不易的预备队消耗殆尽，南翼受到严重削弱，德军重新夺回部分战略主动权，暂时处于优势地位。德军夺取了巴尔文科沃突出部，为即将发动的攻势占据了有利的进攻出发阵地。
1942年6月28日，博克B集团军群左翼霍特第4装甲集团军和魏克斯第2集团军突然从库尔斯克东北向东攻击，对布良斯克方面军的第13和40集团军实施了突击，目标直指顿河上游的沃罗涅日。6月30日，右翼保卢斯第6集团军也从哈尔科夫东北发起了进攻，以斯大林格勒为目标向东南挺进，并突破第21和28集团军防御。在沃罗涅日方向上苏联红军所有方面军的预备队都投入作战，最高统帅部还抽调第6、第60集团军和坦克第5集团军加强布良斯克方面军。随着预备队不断投入，沃罗涅日方面局势稍有缓和，但没有消除德军突破顿河以及沿顿河向斯大林格勒方面突击的严重风险。
1942年7月2日，霍特第4装甲集团军的前锋已逼进沃罗涅日。但希特勒突然改变了计划，决定不占领该城，他命令霍特在获得第2集团军的接替后，迅速转向南面沿顿河向斯大林格勒前进。博克元帅却想占领沃罗涅日，以彻底歼灭该地域内的苏布良斯克方面军主力，这使希特勒大为恼怒，当即撤消博克元帅的B集团军群司令之职，由第2集团军司令魏克斯上将接任，第2集团军司令则由萨姆斯将军继任。南面高加索方向，利斯特A集团军群于1942年7月9日发起进攻。其左翼克莱斯特第1装甲集团军从哈尔可夫南面向顿尼兹河北岸进击。鲁夫第17集团军则从塔甘罗格北面向伏罗希洛夫格勒进攻。同时，匈牙利第2集团军和第4装甲集团军也对佛罗尼斯发动了突袭，并在1942年7月5日攻陷该城。
德军的进攻非常成功，苏联军队在空旷的大草原上很难进行有效的抵抗，苏联红军后撤达100-300公里，顿河及顿巴斯盆地最富饶的地区均落入德军之手。
然而，第6集团军在战役初期就取得令人满意的战果使希特勒再次改变了计划。他认为攻占斯大林格勒无需那么多兵力，遂于17日命令霍特第4装甲集团军从斯大林格勒方向南下，转隶A集团军群，以支援克莱斯特第1装甲集团军强渡顿河下游。这样，斯大林格勒方向的进攻部队就只剩下了保卢斯的第6集团军(辖有6个军，含2个装甲军，计14个师约27万人，近400辆坦克，3000门火炮和迫击炮，由第4航空队1200架作战飞机进行支援)。由于交通等问题，第6集团军的前进步伐有所放慢，给了苏联红军一定的准备时间。
苏联红军最高统帅部开始逐渐明确德军的意图，决心在斯大林格勒组织坚守。7月12日在西南方面军原有基础上组建了由铁木辛哥元帅为司令员(7月23日起改由戈尔多夫中将接替)，由赫鲁晓夫任军事委员会委员的斯大林格勒方面军，担负斯大林格勒方向的防御任务。其编成内有从苏联红军战略预备队调来的第62、第63、第64集团军和原西南方面军的第21、28、38、57集团军残部，坦克第1和第4集团军(下辖第13、第22、第23坦克军，仅有坦克240辆)，以及空军第8集团军、海军伏尔加河区舰队。斯大林格勒方面军，编制内共有38个师，但只有16个师(第62、63集团军的全部，第64集团军2个师，坦克第1、第4集团军各1个师)能够占领主要地带的防御阵地，其任务是固守从巴甫洛夫斯克至库尔莫亚尔斯卡亚的长约530公里、纵深为120公里的防御地带。当面之敌为保卢斯的第6集团军和下辖的18个齐装满员师。当时双方力量对比为，人员1：1.2，坦克1：2，飞机1：3.6，火炮和迫击炮大致相等，德军实力占优。
在高加索方向，原南方方面军在撤退时遭到严重损失，原有的4个集团军只剩下10多万人。最高统帅部决定撤销南方方面军，并将所有部队编入北高加索方面军，由苏联元帅布琼尼任司令员，北高加索方面军的第37和12集团军受领了掩护斯塔夫罗波尔方向的任务，第18、56、47集团军则受领了掩护克拉斯诺达尔方向的任务。7月底至8月初，兵力上占优势的德军顽强地向前推进。很快进抵库班河。1942年8月，在迈科普方向上，交战也激烈起来。1942年8月10日，德军攻占了迈科普，1942年8月11日又攻占了克拉斯诺达尔。1942年8月中旬，占领了莫兹多克，前出到捷列克河。到1942年9月9日，德军将第46集团军击退后，占领了几乎全部山口。苏呼米面临着严重的危险。
近地战斗
1942年7月17日，苏德双方在斯大林格勒接近地展开了激烈的交战，会战正式开始。德军第6集团军在保卢斯上将指挥下，以第8步兵军和第14装甲军为北突击集团，以第51步兵军和第24装甲军为南突击集团，突击苏联红军62集团军防御实施包围，向卡拉奇方向发展进攻。同时，以部分兵力向苏联红军第64集团军发起佯攻，以吸引苏联红军的注意力。7月23日，德军突破苏联红军第62集团军右翼防线，合围了该集团军的2个师，前出到斯大林格勒西面的顿河河岸。1942年7月25日，德军对由苏联红军第64集团军的右翼阵地发起攻击，企图在卡拉奇附近强渡顿河。1942年7月29日，苏64集团军被迫退过顿河。斯大林再也按捺不住对年迈的铁木辛哥元帅的失望，撤消了他斯大林格勒方面军司令员的职务，由第64集团军司令戈尔多夫中将接任，并派总参谋长华西列夫斯基上将作为最高统帅部代表前往斯大林格勒协助指挥战事。斯大林还决定将预备队的坦克第1和第4集团军火速调往斯大林格勒地域。随后，为了增强斯大林格勒守军的斗志，斯大林于1942年7月28日发布了第227号命令，凡是不服从命令而离开战斗岗位或者撤退的军人都将被枪毙，并严厉要求苏联红军部队“绝对不许后退一步!”德第6集团军由于缺少装甲兵力的支援，被迫转入防御态势。德军在行进间占领斯大林格勒的计划被粉碎。但此时顿河西岸苏联红军的处境非常困难，两翼都陷入了德军包围。
1942年7月28日，苏联红军从罗斯托夫撤退。
1942年7月30日，希特勒又作了一个影响命运的决定。他宣布：“因为高加索的命运是将要在斯大林格勒决定，所以由于这个会战的重要性，遂有从A集团军群抽调兵力以增强B集团军群之必要。”于是，霍特的第4装甲集团军又归还给B集团军群，并于1942年8月1日奉命沿科捷尔尼科沃——斯大林格勒铁路向东北方向进击，当天迅速突破了苏第51集团军的防线，占领了蒙特纳亚。1942年8月3日，霍特攻占了科捷尔尼科沃，接着又于5日突破了苏第64集团军的防御，前出到阿勃加涅罗沃地域，但之后遭到了苏联红军越来越顽强的抵抗和反击，霍特只好放弃了独立攻占斯大林格勒的想法，于1942年8月9日转入守势。
1942年8月5日，苏联红军最高统帅部决定将斯大林格勒方面军改组为东南、斯大林格勒两个方面军，由华西列夫斯基上将统一指挥。东南方面军由叶廖缅科上将指挥，编成内有第64、第57、第51集团军，以及坦克第1集团军、坦克第13军和空军第8集团军。斯大林格勒方面军仍由戈尔多夫中将指挥，编成内有第21、第62、第63集团军，以及坦克第4集团军、坦克第28军和空军第16集团军。
1942年8月19日，保卢斯和霍特重新发起了进攻。保卢斯第6集团军从斯大林格勒西北面的特列赫奥斯特罗夫卡亚向东南攻击，22日突破苏第62集团军在韦尔加奇和彼斯科瓦特卡地段的防线，强渡顿河，占领了卡拉奇，23日第14装甲军推进到斯大林格勒北郊的叶尔佐夫卡地域，前出到伏尔加河，将苏第62集团军与斯大林格勒方面军主力分割开来。霍特第4装甲集团军从南面的阿勃加涅罗沃地区向北进攻，突破了苏第64集团军的防御，29日进至城南的加夫里洛夫卡地域，其前锋已前出到京古塔车站。1942年9月2日，保卢斯第6集团军右翼与霍特第4装甲集团军左翼在旧罗加奇克地区取得了联系。与此同时，德军第4航空队出动飞机几百架，入夜又出动2000架次飞机对斯大林格勒进行狂轰滥炸。由于斯大林格勒郊区的房屋多为木质结构，据说在距离斯大林格勒64公里外，在夜晚都可以借助火光看书。
鉴于斯大林格勒异常严峻的形势，斯大林任命朱可夫为最高副统帅，并决定立即调拨第24、第66集团军和近卫第1集团军开赴斯大林格勒。1942年8月29日，朱可夫飞到斯大林格勒并着手组织第24、第66集团军和近卫第1集团军的反击行动。1942年9月3日，斯大林致电朱可夫要求立即对斯大林格勒进行突击，以缓解当地紧张局势。
1942年9月5日拂晓，朱可夫将3个新锐集团军投入反击，由于准备仓促，反击未达到预期目标。当晚，斯大林命令朱可夫继续冲击。1942年9月6日，苏联红军再次发动进攻，再次失败。1942年9月10日，苏联红军试图从北面实施突击，恢复同第62集团军的联系，又遭到失败。1942年9月12日，苏联红军撤至市区围廓，外围防御地带已全部丧失，德军突破斯大林格勒城防，从南面突进到伏尔加河，把守卫城市的第62集团军同战场上的其他部队分隔开来。
在高加索方向，利斯特A集团军群以高速前进。1942年8月9日，克莱斯特第1装甲集团军占领了迈柯普油田。1942年8月22日，克莱斯特的士兵在海拔18526英尺的厄尔鲁斯山峰上升起了第三帝国的万字旗。1942年8月25日，克莱斯特部又攻占了莫兹多克，距格罗兹尼四周的苏联最大产油中心只有50英里，距里海也只有100英里。1942年8月31日，希特勒要求A集团军群司令利斯特元帅倾其所有的力量向格罗兹尼作最后进攻，尽快拿下油田。但德军冲击力迅速下降，进展缓慢。1942年9月9日，希特勒免去了利斯特元帅的A集团军群司令的职务，由第1装甲集团军司令克莱斯特上将接任，第1装甲集团军司令则由麦肯森将军继任。克莱斯特上任后，虽然竭尽全力，也无法再前进一步。因为冲击力丧失的主要原因是缺乏燃油。
1942年9月12日，希特勒从东普鲁士飞抵乌克兰的文尼察，召见了B集团军群司令魏克斯上将和第6集团军司令保卢斯上将，命令他们于1942年9月13日对斯大林格勒发起新的进攻，并决定从高加索方向抽调9个师加强给第6集团军。
双方巷战
斯大林格勒方向上的轴心国部队共有50多个师，其中直接进攻斯大林格勒的有13个师，17万人。而苏联红军斯大林格勒方面军和东南方面军虽有120个师但人员缺额严重，实际防守斯大林格勒的是第62和64集团军，共有9万余人，1000余门火炮，50辆坦克。
1942年9月13日，德军开始攻城。而在此之前，德军Ju-87式轰炸机用燃烧弹将市区炸成废墟，伏尔加河沿岸对斯大林格勒的水路增援也受到影响。保卢斯第6集团军担当主力，从城北实施猛烈突击。霍特第4装甲集团军则从城南推进，策应保卢斯在城北的主攻。苏联红军崔可夫中将指挥的第62集团军和舒米洛夫少将指挥的第64集团军受领了保卫斯大林格勒市区的任务。
1942年9月14日，德军从城北突入市区，与苏第62集团军展开了激烈的巷战，双方逐街逐楼逐屋反复争夺。斯大林格勒变成了一片瓦砾场，城中80%的居住区被摧毁。在满是瓦砾和废墟的城中，苏联第62集团军顽强抵抗，在城中的每条街道，每座楼房，每家工厂内都发生了激烈的枪战。攻入城中的德军死伤人数不断增加。尽管德军对伏尔加河东岸进行频繁的轰炸，但是苏联红军还是从那里得到了不断的补给和支持。刚刚赶赴城中的红军战士的平均存活时间不超过24个小时，军官也只有约三天的平均存活时间。德军的主要战术是各兵种联合作战，非常重视步兵、工程部队、炮兵和空军的地面轰炸的协调。为了对抗这种战术，苏联红军指挥官崔可夫采取了贴身紧逼的策略，尽量将己方的前线与德军贴近。这样导致了德军的炮兵部队，空军部队(直至希特勒增派JU-87斯图卡俯冲轰炸机为止)无法发挥远程攻击的优点。
苏联近卫航空兵11团的伊尔-2强击机给入城德军坦克重大杀伤。1942年9月15日，德军对马马耶夫高地实施重点突击。该高地是斯大林格勒城中的制高点，从这里可以俯瞰和控制全城，崔可夫中将的第62集团军司令部即设在这里。经过一天最为残酷的战斗，德军占领了马马耶夫高地。但在1942年9月16日，苏近卫第13师渡过伏尔加河进入斯大林格勒，突然向德军发起反冲击，又夺回了该高地。很多重要据点双方进行了反复争夺，第一火车站的争夺战达一周之久，德军不顾一切，一步步向市中心逼近。
1942年9月25日，德军占领了市中心，1942年9月27日冲进了北部工厂区，并重新占领了马马耶夫高地，但在1942年9月29日又被苏联红军夺回。以后的战斗更加激烈，两方军队不断地交替占领这片高地。斯大林格勒工业区修建在丘陵中，建筑物用钢筋混凝土浇筑或用石头砌成。德军的推进不是用公里，而是用米来衡量，德第6集团军的一位叫汉斯·德尔的军官在《进军斯大林格勒》一书中写到：“敌我双方为争夺每一座房屋、车间、水塔、铁路路基，甚至为争夺一堵墙、一个地下室和每一堆瓦砾都展开了激烈的战斗。其激烈程度是前所未有的。”对火车站反复争夺达13次之多。在一个大粮食仓库里，两军的士兵非常接近，甚至能够听到对方的呼吸声，经过数个星期的苦战，德军不得不从这个仓库撤走。在城中的另一个部分，由扬科夫·巴甫洛夫指挥的一个小分队(共计6人)占据了城中心的一座公寓楼，并顽强地进行抵抗。士兵们在大楼附近埋设了大量地雷，并在窗口安设了机枪，还将地下室的隔墙打通以便通讯。这座顽强的堡垒被苏联人骄傲地称为“巴甫洛夫大楼”(最后仅剩一堵墙还留到21世纪，上面雕刻着士兵抵抗的画面，右上角刻着58以表明他们6人坚守了58天)。
由于德军无法看到战斗结束的迹象，便开始调遣包括600毫米迫击炮等重装甲部队开入城内。然而在伏尔加河东岸的苏联火炮部队将德军置于其炮火笼罩之下。而城中的红军防御部队仍然利用废墟进行战斗。由于城内布满了高达数米的瓦砾堆和废弃建筑，德国的坦克部队毫无用武之地。此外，苏联的狙击手非常成功地利用废墟作为掩体，给德军造成了极大伤亡。最为成功的一名狙击手Zikan到1942年11月20日为止已经击毙了224个敌人，而其也因此成为日后好莱坞电影《兵临城下》中的主人翁瓦西里·扎伊采夫(Vasilly Grigoryevich Zaitsev)的原型。另外一名狙击手也创造毙敌149人的纪录。
对于斯大林和希特勒来说，斯大林格勒战役都是事关成败的关键一战。苏联红军指挥部将战略重点从莫斯科转移到了伏尔加河地区，并且调动了全国所有的空中力量支持斯大林格勒。在9月底和10月初，苏联红军向斯大林格勒城区调去了6个步兵师和1个坦克旅;德军则调去了20万补充部队，包括90个炮兵营和40个受过攻城训练的工兵营。
双方部队的指挥官都承受着巨大的压力。德军的指挥官保卢斯得了眼部肌肉痉挛的疾病，而崔可夫也在不见日光的地下室司令部也忍受着湿疹的病痛，以至于不得不将自己双手完全包扎起来。
此时，德军在苏联南部的战线是从库尔斯克和沃罗涅日起，通过斯大林格勒到莫兹多克，长达1250英里以上。再加上从库尔斯克到列宁格勒之间的800英里，德军在苏联的战线全长已在2000英里以上，而以德国的兵力和资源，根本就不足以维持如此长的战线。特别危险的是，从斯大林格勒沿顿河上溯至沃罗涅日共长350英里，竟毫无掩护。德国自己腾不出兵力来填补这个缺口，只得在这一线部署了附庸国的3个集团军：匈牙利第2集团军在沃罗涅日南面;意大利第8集团军在东南面更远一些的位置;罗马利亚第3集团军在斯大林格勒正西、顿河湾曲部的右侧。这使得战线拉得非常狭长，甚至在有些地段，只有一个野战排来防守整整1-2公里的防线。而苏联红军在伏尔加河南岸保留了几个攻击点，这对德军构成了潜在的威胁。希特勒并非不知道这些装备和战斗力都极差的附庸国部队是不足以担负这个任务的，但他却深信只要能迅速攻克斯大林格勒，即可抽出足够的兵力。德国陆军参谋总长弗朗兹·哈尔德表示了忧虑和异议，认为斯大林格勒是不可陷入的，力主放弃这个作战，并向西撤退。结果，希特勒便在9月底免去了哈尔德陆军总参谋长的职务，任命原驻法国的德军总司令库尔特·蔡茨勒(Kurt Zeitzler)上将为新一任陆军总参谋长。
1942年9月28日，苏联红军最高统帅部决定将斯大林格勒方面军改称顿河方面军，司令员为罗科索夫斯基中将;东南方面军改称斯大林格勒方面军，司令员为叶廖缅科上将;近卫第1集团军扩建为西南方面军，司令员瓦杜丁中将(Nikolai Vatutin)。副最高统帅朱可夫大将和总参谋长华西列夫斯基上将奉命秘密拟制反攻计划。
1942年10月份一个月中，斯大林格勒一直进行着激烈的巷战。1942年10月14日，希特勒向德军部队下达命令：除斯大林格勒方向外在整个苏德战线转入战略防御。(引自《从斯大林格勒到柏林》)德军逐屋战斗，从地面和地下的废墟中找路前进，所以也被称为“老鼠战争”(德语：Rattenkrieg)，甚至开玩笑说“即使我们占领了厨房，仍然需要在客厅进行战斗。”对斯大林来说，是决不能让这座以自己名字命名的城市落入德军之手的。他亲自下令给叶廖缅科上将，要求在任何情况下都要坚守该城。每一座房屋，只要有苏联军人，哪怕只有一个人，也要成为敌人攻不破的堡垒。而对希特勒来说，斯大林格勒的精神价值已超过了其战略价值，非要攻陷它不可，当新任陆军总参谋长蔡茨勒将军小心地向他指出第6集团军北翼漫长的顿河战线面临着危险，建议将第6集团军撤到顿河河曲时，希特勒严厉地回答说：“德国士兵到了哪里，就要守到哪里!”
经过3个月血腥的战斗至1942年11月初，德军终于缓慢地推进到了伏尔加河岸，并且占领了整座城市的80%地区，将留守的苏联军队分割成两个狭长的口袋状，德军始终未能完全占领斯大林格勒。此外，伏尔加河开始结冰，导致苏联不能再通过船运送补给品给城中守军。尽管如此，马马耶夫高地附近的战斗和北部城区的工厂地带的战斗依然非常激烈。其中， 红色十月工厂、 拖拉机厂和街垒工厂的战斗为全世界所知晓。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它武器，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。
1942年11月11日，德军以5个步兵师、2个装甲师和2个工兵营在宽5公里的正面上发起强攻。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达了伏尔加河岸，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。苏联红军的损失同样严重，第62集团军的两个师损失了75%的兵员。
根据苏联方面统计，从1942年7月到1942年11月的战斗中，德军在顿河、伏尔加河和斯大林格勒的战斗中损失约70万人，1000余辆坦克，2000多门火炮，1400余架飞机。
苏联反攻
苏联红军苏最高统帅部自9月底开始准备大反攻，负责斯大林格勒地区总体战略的朱可夫开始向斯大林格勒秘密大规模集结兵力。至1942年11月中旬，在斯大林格勒地域城外的南北两侧的苏联红军计3个方面军10个诸兵种合成集团军，1个坦克集团军，4个空军集团军和若干个独立军、坦克军和旅，共143个师110.6万人，计15500门火炮和迫击炮，1463辆坦克和强击火炮，1350架飞机。当面的德军B集团军群共有80个师又3个旅，约100万人，10290门火炮，675辆坦克，1216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。1942年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”，这与针对德军中央军群的“火星行动”相呼应。该计划规定：西南方面军由瓦杜丁中将指挥，其任务是从顿河西岸的谢拉莫菲维奇和克利茨卡亚地域桥头阵地实施主攻，突破罗马利亚第3集团军防御，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，突破罗马利亚第4集团军防御，与西南方面军在卡拉奇会师，完成对德第6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1942年11月19日，斯大林格勒方面军为1942年11月20日。
1942年11月19日，苏联红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的方面军在纷飞的大雪中发起了反攻，瓦杜丁中将指挥的主攻部队包括整整3个集团军(近卫第1集团军，第5坦克集团军和第21集团军)，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，并得到空军第2，第17集团军支援。负责防卫德军第6集团军侧翼安全的罗马尼亚第3集团军，由于在数量上处于绝对劣势并且缺乏精良装备，仅仅在战斗发起一天之内罗马利亚第3集团军的阵地便被苏联红军突破。
与此同时，顿河方面军实施了两个辅助突击，以第65集团军从克列茨卡亚以东地区向东南突击，以第24集团军从卡恰林斯卡亚地区沿顿河左岸向韦尔佳奇方向向南突击，割裂顿河小弯曲部德军与斯大林格勒德军的联系。第66集团军在斯大林格勒以北地区原地防御。顿河方面军得到苏联空军第16集团军支援。
1942年11月20日，叶廖缅科的斯大林格勒方面军第51、57、64集团军也在南部转入反攻，突破了防卫该地区的罗马利亚第4集团军的防线，主要由骑兵组成的罗马尼亚人迅速被歼灭。此后苏联红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。1942年11月23日，西南方面军和斯大林格勒方面军在卡拉奇会师，从而完成了对斯大林格勒的包围。至1942年11月30日，苏联红军3个方面军将德第6集团军的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平方公里的地域内，第6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联红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。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6集团军的空中补给。事实证明德国空军根本没有提供如此大规模部队的供给的运输能力，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，希特勒遂命令保卢斯坚守阵地，第6集团军必须留在斯大林格勒，并命令他这个集团军今后改称“斯大林堡垒”集团军。由于恶劣天气和苏联红军防空火力，空投计划很快就遭受失败。据统计，德军只得到10%左右的所需物资，第6集团军渐渐感受到饥饿的威胁。另一面，苏联红军在不断加强对斯大林格勒的包围圈，并开始缩小包围圈的行动。
1942年11月21日，希特勒下令将曼施泰因元帅的第11集团军扩建为顿河集团军群，由曼施泰因元帅任司令，并把保卢斯第6集团军、霍特第4装甲集团军和罗马利亚第3、第4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。”曼施泰因认为，德军唯一成功的机会在于第6集团军从斯大林格勒向西南突围，霍特第4装甲集团军则从斯大林格勒以南的科捷尔尼科沃向东北进攻，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1942年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，而曼施泰因必须杀开一条血路，打到斯大林格勒。
1942年12月12日，曼施泰因元帅怀着沉重的心情，发起了代号为“冬季风暴”的反攻。德军以霍特第4装甲集团军为先导，于1942年12月16日突破了苏联红军第51集团军在阿克赛河上的防线。至1942年12月19日，第4装甲集团军所属的第57装甲军已突进到离南面包围圈30英里以内的地方。此时，曼施泰因发现自己也有被数倍于己的苏联红军包围的危险。于是，他决定不顾希特勒的将令，下令保卢斯立即向南突围与第4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泰因的命令，放弃了这最后一次机会。1942年12月27日，苏联红军发动强大反击将霍特第4装甲集团军击退150～200公里，终于使其退回了原来的阵地，迫使德军统帅部最后放弃解救被围集团的企图。曼施泰因的“冬季风暴”宣告失败。当时温度已降到零下45摄氏度。伏尔加河面的冰层逐渐变厚，因此苏联红军可以更加便利地补给己方部队。而包围圈中的德第6集团军的空运补给越来越少，平均每天不到100吨。德第6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活的标准之下;炮兵的弹药开始感到缺乏;医药品和燃料都已经用尽;数千人患上伤寒和痢疾，而冻伤的人就更多，每天都有数千名士兵死于饥饿、严寒和营养失调。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。1942年12月29日，保卢斯派第14军军长胡比中将飞出包围圈去晋见希特勒，把第6集团军的情况当面向元首汇报。但希特勒还是命令第6集团军死守斯大林格勒，直到1943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。
德军覆灭
1943年1月，苏联红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。苏联红军虽然始终未能接近罗斯托夫，但是这次行动迫使德军与斯大林格勒包围圈内的德军相隔250公里以上的距离。事实上，第6集团军已经完全失去了增援。
1943年1月8日，苏顿河方面军司令员罗科索夫斯基中将向德第6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，被驳回。10日，罗科索夫斯基的顿河方面军向被围的德第6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。1943年1月22日，苏联红军占领了古门拉克机场(Gumrak)，第6集团军的空运补给完全运输和伤员撤退行动的彻底中断了。虽然食物和弹药都极度匮乏，德军仍然顽强抵抗，因为他们相信苏联人会处死投降的军人。在斯大林格勒城中再次爆发了激烈的巷战。相反，苏联人也被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说：“部队已不能支持了，继续抵抗已毫无意义，请准允我们投降。”他得到的答复是：“投降是不可能的，第6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。”曼施泰因力劝希特勒批准第6集团军残部投降，而希特勒向曼施泰因解释说，不允许投降，“一来即使包围圈中的德军分成几个较小的单位，也还可以抵抗相当长的时间;二来，俄国人根本不会遵守对第6集团军投降后所许下的诺言。”1943年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的。”希特勒也希望保卢斯能够战斗到底或自杀殉国。1943年1月31日，保卢斯向总部发出最后一份电报：“第6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，当苏联红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。同日，苏联红军第64集团军的第38摩步旅打到了保卢斯的司令部，“第六集团军无线电台即将关闭!俄军已经攻占!打垮布尔什维克万岁，天佑德意志!”1943年2月1日，被包围的第六集团军司令部发报员自己决定向柏林发出了最后一封感动德国人的著名电报，最后用国际电码写上“CL”，表示“本台停止发报”。苏联红军在地下室外令第6集团军司令部人员投降，第6集团军参谋长施密特将军接受了要求。施密特问保卢斯：“请问陆军元帅，还有什么话要说吗?”保卢斯无话可说，只好投降。1943年2月2日，被围困在斯大林格勒城北的第11军残部也宣布投降。至此，斯大林格勒会战结束。德第6集团军司令保卢斯元帅，步兵第4军军长普费费尔中将、第51军军长库尔茨巴赫中将、第295师师长科尔费斯少将等23位将官，2000名校级以下军官和91000名极度饥饿劳累的德军士兵被俘，约14万人死亡，只有3万余伤患者事先陆续空运撤出。
让苏联红军大为惊喜但同时让德军极为失望的是，战俘中包括22名将军。希特勒对这位新陆军元帅极为失望，并公开说“保卢斯差一步就要跨入光荣的殿堂，但是他还是选择了退却。”没有明确的证据表明日德战俘受到严重的虐待导致大面积死亡。但是，据统计降的91000名战俘中，战后只有13000人左右返回了德国，其中有5000多人返回了西德，另有7000多人在东德。由于大多数士兵本身已经营养不良，缺乏医治，加上红军将他们发配到苏联各地的战俘营中进行强制劳动，使得大多数人死于过度劳累和营养不良。十几位高级军官被带往莫斯科，用作苏联的政治宣传工具。包括保卢斯在内的军官们发表了反希特勒宣言，并向德军部队大肆宣传。瓦尔特·冯·塞德利茨·库尔茨巴赫将军甚至提出从德军战俘中组建一支反希特勒军队，但是苏联没有接受这个建议。直到1955年，这些高级战俘才被遣送回国。
尽管在战役结束前数星期，德国的官方媒体已经停止报道相关的不利消息，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，都是其它战役不可比拟的。1943年2月18日，德国宣传部长约瑟夫·戈培尔在柏林发表了著名的Sportpalast演说，鼓动德国国民接总体战的理念，即利用全国的一切资源和力量来战斗到底。
