到11月，第6军团已攻占了斯大林格勒的大部分地区，并将防守苏军迫向伏尔加河岸边.在此阶段，德方注意到第6军团侧翼的苏军活动渐趋频繁，综合审讯俘虏得到的情报，推测苏军正准备向该城周围的德军发起攻势。但是德军指挥部仍将注意力集中在完成攻占斯大林格勒的行动。事实上，德国陆军参谋总长弗朗茨·哈尔德上将已在9月时警告过希特勒第6军团及第4装甲军团的侧翼过长。早在9月时，苏联最高统帅部已开始策划一系列反攻行动，意图消灭在苏联南部（斯大林格勒及高加索地区）的德军以及德国中央集团军。拯救斯大林格勒的行动由亚历山大·华西列夫斯基指挥。

苏联最高统帅部筹划了2个行动计划以打击在斯大林格勒附近之敌军，分别是“天王星行动”及“土星行动”，同时又筹划了“火星行动”以阻止中央集团军实施增援及尽可能消灭德军部队。天王星行动使用大量机械化及步兵部队直接包围在斯大林格勒附近的德国及其它轴心国军队。为了准备该攻势，进攻起点被安排在德国第6军团阵地后方的侧翼部位，使德军不能快速增援这些过分分散的轴心国单位。苏军采取钳形攻势；苏军机械化部队深深刺入德军两翼，同时另一支部队将在德国第6军团附近发动攻击，以期攻击位于后方的德军单位。当红军准备时，德军高级指挥官认为苏军忙于攻击北面的德国中央集团军，没有力量在南方同时发动攻势，因而继续忽视苏军发动南方攻势的可能性。

参与蓝色行动的德国及其它轴心国军队被分散部署在一条宽度超过480千米（298英里）、纵深数百公里的战线上，同时攻打斯大林格勒的命令使大量轴心国军向东前进，进一步拉薄了防线。 例如，在7月初第6军团防守一条长达160千米（99英里）的战线之余，尚要向前挺进大约400千米（249英里）。从南方集团军分开出来的B集团军（向高加索行动的部队被重新命名为A集团军），看上去似乎很强大：包括第16摩托化师、德国第2、第4装甲及第6军团、罗马尼亚第4及第3军团、意大利第8及匈牙利第2军团；同属B集团军辖下之第48装甲军，实际兵力仅相当于1个被削弱的装甲师，并有1个步兵师作为预备队。德军侧翼大多由新来到的非德国军队防守，而德军则用来继续实施进攻斯大林格勒及高加索的行动。

虽然阿道夫·希特勒对动用非德国轴心国部队保护德军侧翼颇有信心，实际上这些单位大多装备过时武器，依赖骡马牵引大炮，同时一些军官野蛮对待入伍新兵更造成士气低落。在机械化方面，罗马尼亚第1装甲师配备了大约100辆捷克斯洛伐克共和国制造的PZ.38(t)坦克，它的37毫米反坦克炮不能有效攻击苏联的T-34坦克。相似地，该师装备的37毫米反坦克炮亦嫌过时，且普遍弹药不足，只有在反复要求下德国才向罗马尼亚单位供应75毫米反坦克炮，但每个师只配备了6门。另外这些单位的部署过度分散；例如，罗马尼亚第3军团被部署在一条140千米（87英里）长之战线上；而罗马尼亚第4军团则守卫至少长达270千米（168英里）的防区；意大利人及匈牙利人被安置在两个罗马尼亚军团之间，事实上德军指挥官并不期待这些部队有足够的战斗力。大部分德军情况也不好；它们在与红军数个月的战斗中被削弱，当苏联最高统帅部建立新的军团时，德军高层指挥部却只能依赖现有的机械化师团。加上在1942年5月至11月的德军攻势期间，A集团军两个装备优良的摩托化师，武装亲卫队阿道夫·希特勒警卫旗队摩托化师及大德意志师作为英军在法国登陆时的机械化预备队被调往西线。第6军团在斯大林格勒城内作战时亦付出了很大的伤亡，其某些部队，如48装甲军所下辖的德军第22装甲师的装备并不比罗马尼亚第1装甲师优良，德军本身的战线也很分散，例如德国第11军就防守长达约100千米（62英里）的战线

苏联红军估计共有1,100,000名士兵、804辆坦克、13,400门火炮及超过1,000架飞机参加即将来临的攻势，苏军的攻势由南、北两翼构成。在北面的进攻主力是尼古拉·费多罗维奇·瓦图京所指挥的西南方面军，其下辖的第21军团及第5坦克军团为突击集团，负责完成占领卡拉奇的任务，第1近卫军团则在更北面的位置负责抵抗敌人可能出现的反击。北面的另一个部队为罗科索夫斯基所指挥的顿河方面军，这一部队主要担任辅助攻击任务，由其下辖的第65和第24集团军一部切断顿河突出部敌军与斯大林格勒地区敌军之间的联系，德军南翼将成为新成立的斯大林格勒方面军下辖的第51及第57军团的攻击目标，其先头部队是第13及第14机械化军；这个攻势会通过罗马尼亚第4军团之防区，目的是与西南方面军的第5坦克军团在卡拉奇镇附近会师。总体上，苏军集结了11个军团和多个独立坦克旅、军，在空军方面则由第2和第17航空兵兵团支援西南方面军，第16航空兵兵团支援顿河方面军，第8航空兵兵团支援斯大林格勒方面军。但是攻势的准备工作出现了一些误差；由于运输上的延误令很多参战单位尚未就位，11月18日苏联最高统帅部推迟实施进攻的日期；与此同时，已在前线的单位为学习如何阻止敌军反攻及利用机械化部队打开突破口而举行了多次实战縯习，这些活动都被苏军利用一些欺敌行动加以掩饰，包括减少无线电通讯、伪装、行动保密、利用传令兵代替无线电进行通讯，以及采取欺骗行动，如增加在莫斯科周围的军队调动等；进攻部队被命令构筑防御工事，从而令德军误判其行动；在顿河兴建假桥，以掩饰早已跨河建好的真正桥梁。 苏联红军亦对中央集团军实施佯攻，并组编一些挂名的军队以令德军产生攻击重点在中部的假象。

苏军斯大林格勒方面军受制于敌军的猛烈炮轰，难以实施机动。第38工兵营被指派到该方面军，负责运送弹药、士兵及坦克渡过伏尔加河，同时对即将成为突破重点的前线区域实施小规模侦查。在3星期内红军共运送了大约110,000名士兵、420辆坦克及556门火炮渡过伏尔加河。

11月17日华西列夫斯基被召回莫斯科，在这里他读到了由第4机械化军指挥官瓦希里·沃尔斯基将军写给斯大林的一封信，在信中沃尔斯基紧急要求斯大林取消进攻。沃尔斯基相信这个攻势注定是失败的，原因是参战部队的状况很差；他建议推迟进攻日期及全面重新设计整个计划。另外很多苏军士兵没有得到冬季军服，也有士兵因“指挥官不负责任的态度”而死于冻伤。虽然苏军情报单位尽可能全面地收集情报，以求了解轴心国部队的部署情况，但德国第6军团的状况仍旧模糊不清。苏军指挥官们的想法与沃尔斯基相反，同意攻势如期进行，斯大林亲自打电话给沃尔斯基，使后者同意按照计划发动攻击。

天王星行动本来已被推迟至11月17日，因为格奥尔吉·朱可夫将军被告知参加天王星行动的空军单位尚未就位，此后又顺延了2天；行动最终在11月19日展开。罗马尼亚陆军中尉格哈德·史托当时在前线，当日接到一个电话称早上5时将有苏军攻势；但是，由于他接到情报的时间已在5时后，且不敢凭借未核实的情报吵醒上级军官，他没有向罗马尼亚军团指挥部报告他收到的消息。由于浓雾和大雪造成视野不清，苏军指挥官建议推迟炮击的时间，然而方面军指挥部决定照原定时间实施。早上7时20分（莫斯科时间；德国时间则为早上5时20分），苏军炮兵指挥部收到代号为“汽笛”的命令，对整条保护德军侧翼的非德国轴心国单位防线实施长达80分钟的直接炮轰，多达3,500门火炮轰击了罗马尼亚第3军团及德国第6军团侧翼的北肩，虽然浓雾令苏军未能通过目视观察进行炮击修正，但前线长达数星期的准备及测距工作令他们能准确地实施射击。炮击的效果非常好，轴心国军的通讯线路被中断、弹药临时堆积处被破坏及前进观测点被毁坏，很多在炮击下生存的罗马尼亚人员开始向后方逃窜。苏军用于炮击罗马尼亚军炮兵阵地及第2道防线的重炮，也顺带击中了撤退中的士兵。

11月19日:攻击罗马尼亚第3军团

在北部，苏联以第21、第65步兵军和第5坦克军团为先导，于早上8时50分对罗马尼亚第3军团发动进攻。首2轮进攻均被罗马尼亚守军击退，而大规模炮轰亦令苏军装甲部队难以通过地雷区及复杂地形。但是由于罗马尼亚守军缺乏重型反坦克炮，防线终于崩溃；当日午时被苏联第4机械化军及第3亲卫骑兵军打开了一个突破口。之后第5坦克军团在第8骑兵军的跟随下突破了罗马尼亚第2军的防线。当苏军装甲部队利用罗盘通过浓雾前进、越过罗马尼亚军及德军炮兵阵地时，3个罗马尼亚师开始混乱地后撤；罗马尼亚第3军团已被从东西两面包抄。在收到苏军进攻的消息后，第6军团司令部未能命令仍在斯大林格勒市内的第16及第24装甲师前往支援罗马尼亚军，而以作为预备队第48装甲军代替.

兵力被严重削弱及缺乏装备的第48装甲军只有少于100辆可使用的现代化坦克应付苏军的装甲部队。而且由于缺乏汽油和装备，指挥官被迫将失去坦克的车组编入步兵连队作战；第22装甲师是该军组成单位之一，在随即发生的激战中几乎被全歼。第22装甲师只能投入不到30辆坦克参加战斗，很快损失得只剩下1个装甲连。罗马尼亚第1装甲师被配属到第48装甲军，在与它的德军军级指挥官失去联络后，与苏军第26坦克军交战并在11月20日被消灭。当苏军继续向南推进时，很多车组受到正在恶化的暴风雪影响，比如积雪遮住火炮瞄准器；坦克在雪地上失去附着力而失控滑行，导致车组成员撞断臂膀也毫不罕见。但是，暴风雪亦同时阻碍了德军各军之间的合作。

罗马尼亚第3军团在11月19日晚上开始被击溃，苏联第21军团及第5坦克军团俘获了27,000名罗马尼亚士兵—相当于3个师的兵力然后并继续向南推进。苏军骑兵被用于巩固突破口，切断罗马尼亚人与意大利第8军团之间的联系，及阻止任何对苏军侧翼的反攻。当红军空军轰炸扫射后撤的罗马尼亚士兵时，德国空军只能作微不足道的反击.原本在德军第376步兵师侧翼的罗马尼亚第1骑兵师后撤，令苏联第65军团得以绕过德军的防线。当德军在11月19日稍晚作出回应时，对第6军团南翼的另一次进攻开始了。

11月20日早上，苏联最高统帅部打电话给斯大林格勒方面军司令员安德烈·叶廖缅科，询问他是否会根据时间表准时在早上8时发动他这部分之攻势，叶廖缅科回答只会在浓雾消散后才展开攻势。由于未获方面军总部通知，只有第51军团准时开始炮火准备，其它部队却收到命令将攻击开始时间推迟至早上10时。进攻开始后第51军团攻击了罗马尼亚第6军，俘获很多战俘。当第57军团在10时加入攻击时，情况已变得非常适合运用方面军的装甲部队。德军第279步兵师眼见其罗马尼亚盟友被突破而无所作为，但是当试图巩固最早的攻势打开的突破口时，误会和缺乏指挥令苏军第4及第13机械化军进展缓慢。

发现这一情况，德军迅速命令该地区的预备队，第29装甲掷弹兵师发动反击。虽然在反击初期数次战胜苏联装甲部队，罗马尼亚军的崩溃迫使该师在南线停止进攻，转入防御。第29装甲掷弹兵师的反攻令红军付出了大约50辆坦克的代价，令苏军指挥官担忧其左翼之安全，但是，该德军师之重新部署导致到该日日终时，只有罗马尼亚第6骑兵团位于前进中的苏军与顿河之间。

当斯大林格勒方面军在11月20日展开其攻势时，苏联第65军团继续对德国第6军团北端侧翼的德国第11军施加压力。红军第4坦克军从正面压倒德国第11军，同时第3亲卫骑兵军攻入德军后方。德军第376步兵师及奥地利第44步兵师被重新部署至侧翼以迎击苏军，但是因缺乏汽油而延误。德军第14装甲师剩余的装甲团歼灭了试图实施迂回的苏联第3亲卫骑兵军的1个团，但其反坦克炮阵地被苏军突破，伤亡惨重。在这日日终时苏联第1坦克军已经迫使德国第48装甲军后撤，而苏联第26坦克军则攻占位于斯大林格勒西北大约130千米（81英里）的佩莱拉佐夫斯基镇。

红军之攻势在11月21日仍然持续，斯大林格勒方面军已突入德军防线50千米（31英里）。这时在北面剩下的罗马尼亚军单位已被分割包围、逐个消灭，红军开始攻击德国第4装甲军团及第6军团之侧翼。德军第22装甲师，虽然尝试发起1次小型反攻，但兵力已被消耗到相当于1个连的规模，被迫向西南撤退。苏联第26坦克军，消灭了罗马尼亚第1装甲师的大部分兵力后继续向西南进攻，并未消灭留在身后的罗马尼亚残兵，即使罗马尼亚第5军的残部已经重组并建立坚固防线，等待德国第48装甲军的救援。这天德国第6军团司令弗里德里希·保卢斯上将接到报告说苏军距离他的总部只有少于40千米（25英里）；加上已没有剩余部队可以阻止苏军在南方的进攻。在南面，经过短暂的停顿后，苏军第4机械化军继续向北进攻，清除在该地区数个城镇的德国守军，直指斯大林格勒。意识到斯大林格勒城内及附近的德军面临危险，希特勒命令在该地区之德军全面防守各个方向，并将顿河与伏尔加河之间的部队划为“斯大林格勒要塞”，断绝了第6军团突围的希望。第6军团、其它轴心国单位及大部分第4装甲军团之德军单位被困在苏军日益壮大之包围圈中，只有第16装甲掷弹师尝试作突围行动。由于当苏军之坦克军尝试沿德军南翼扩大突破口时，步兵与坦克之间缺乏协同，令大部分罗马尼亚第4军团之士兵逃出了包围圈。

11月22日苏军开始渡过顿河向卡拉奇镇进攻，防守卡拉奇之德军大部分由维修及补给人员编成，他们直至11月21日才知道苏军的攻势，却仍不知道进攻之苏军实力如何。攻占卡拉奇的桥梁之任务交由第26坦克军负责，他们利用2辆俘获的德军坦克及1辆侦查车进逼并向守卫开火。上述苏军在22日上午突入市内、战斗至下午14时左右逐出守军，令他们及第4坦克军得以与从南面而来的斯大林格勒方面军第4机械化军在苏维埃斯基附近会师，对斯大林格勒城内德军的包围在1942年11月22日完成。同日苏军亦继续清除包围圈内罗马尼亚士兵残余的袋形阵地，例如由罗马尼亚第5军建立的一段。

战斗直至11月23日，德军再次徒劳地尝试打破包围。此后包围圈内的轴心国人员移向东面的斯大林格勒以避开苏军坦克，逃离包围圈的一部分则向西退避，逃向德军及其它轴心国部队之阵地。

苏联红军能够快速在卡拉奇会师，这在数天后更被作为宣传影片，苏军夺取桥梁因为德军相信前进中的坦克是他们自己的（德军经常使用俘获的T-34坦克作战）。

德军的战败对士气有很大影响，特别是苏联方面更为明显，因为这次是德军在战争中最大的败战之一。

在围城期间，保罗斯被晋升为陆军元帅，他因此亦成为第一个投降的德国陆军元帅，根据一些资料，希特勒命令晋升是想保罗斯自杀以避免投降。

天王星行动将200,000至250,000名德军士兵围困在一个由东至西50千米（31英里）和由南到北40千米（25英里）的包围圈里。包围圈内的部队包括德国第6军团所属的4个步兵军、1个隶属第4装甲军团的装甲军、2个罗马尼亚师的残部、1个克罗地亚步兵团及其它特别单位，被围困的装备有大约140辆坦克、2,000门火炮或迫击炮及10,000辆军车。向斯大林格勒撤退的路上扔满了钢盔、武器及其它装备，而被破坏的重型装备亦被遗弃在路旁。横跨顿河的桥梁拥堵不堪，生还的轴心国士兵在寒冷的冬天中匆忙地向东撤退，以免被苏军坦克和步兵拦截在斯大林格勒城外。很多受伤的轴心国士兵被踩踏，不少试图越过冰面过河的士兵也落入河中淹死。饥饿的士兵扫荡苏联的村庄找寻物资，军用后勤站也常常遭到抢掠。

最后一批落伍的士兵在11月24日渡过顿河，轴心国部队随即炸毁了河上所有桥梁，阻止苏联部队进一步追击第4装甲军团和第6军团。第6军团在混乱当中开始建立防线，并受缺乏汽油、弹药及口粮所困扰，更受到俄罗斯冬季气候所累赘，又要填补溃散的罗马尼亚军在防线上之缺口。11月23日，一些德军单位破坏或烧毁了一切在突围时不需要的物资，向斯大林格勒北面后退。但由于离开了构建完善的冬季掩体，苏联第62军团得以在旷野上攻击并消灭德军第94步兵师；该师的生还者被配属到第16和第24装甲师。虽然德国战地指挥官一致认为被包围的德意志国防军应该试着突围，但在11月23日至11月24日间希特勒严令这些部队就地死守，并尝试由空运向第6军团实施补给。被包围在城中的部队每天最少要消耗680公吨的补给，这个任务是已经贫弱的德国空军所无法承担的；加上实力已经恢复的苏联空军对飞入包围圈的德军运输机形成威胁，即使在12月时，德国空军已集结编成了1支拥有500架飞机的机队，但仍然不足以对第6军团及部份第4装甲军团的士兵运送足够的补给。

12月上半月间，第6军团每日只收到20%的正常需求量补给。与此同时，红军以全歼被围轴心国部队为目标而持续增强包围圈防御力，苏军接着计划自东面及南面攻击德军，目的是将其进一步分割成小集团。这些行动于11月24日执行，并被要求在未遭重大伤亡且不动用预备队的情况下完成任务。虽然实际上只有这个距离的四分之三被苏军占领着，但包围圈外围环长度估计长达320千米（200英里）；外包围圈与内包围圈之间距离大约有16千米（9.9英里）。苏军最高指挥部亦开始筹划土星行动，目的是消灭意大利第8军团及切断高加索之德军，苏联最高统帅部计划攻势在12月10日开始。该区德军被进一步分割改组后，德军将领埃里希·冯·曼施坦因受命指挥由德国第4装甲军团和第6军团、罗马尼亚第3和第4军团重编而成的德国顿河集团军。虽然对德军来说前景颇显暗淡，在天王星行动结束后战场获得了暂时的平静。德军及苏军均在筹划他们的下一步行动。