9月28日，苏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，司令员图瓦京中将(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。10月份一个月中，斯大林格勒一直进行着激烈的巷战。苏军又有6个以上的满员师经伏尔加河进入斯大林格勒。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。”这场会战已经变成了一个面子问题。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向小心地向他指出第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。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11月初，德军终于在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。苏军红军反攻的“铁钳攻势”

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的红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计3个方面军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。 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：西南方面军由图瓦京中将指挥，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11月19日，斯大林格勒方面军为11月20日1942年11月19日，苏联红军开始实施天王星行动。。 德军第六集团军覆灭

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，第六集团军已经完全失去了增援。

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，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。1月22日，苏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。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，他说：“是该结束这个英勇战斗的时候了，我的元首!我认为第6集团军为了牵制俄军已经尽了最后的努力，继续抵抗已经没有意义了。”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。”