南方面军主攻侧翼。

反攻日期定为1942年11月19日，西南和顿河方面军率先发动攻击，斯大林格勒方面军次日加入战斗。

11月19日，西南方面军和顿河方面军在暴雪中发起攻势。瓦图京中将指挥的18个步兵师、8个坦克旅及空军集团迅速突破罗马尼亚第3集团军的防线。罗马尼亚部队因装备落后且训练不足，仅抵抗一天便被彻底击溃。

顿河方面军从克列茨卡亚以东发动两路突击，成功割裂了德军顿河小弯曲部与斯大林格勒德军的联系。第66集团军则在斯大林格勒以北吸引德军主力。

11月20日，叶廖缅科上将指挥的斯大林格勒方面军转入反攻。罗马尼亚第4集团军的骑兵防线迅速崩溃，苏军开始直扑卡拉奇地域。

11月23日，西南方面军和斯大林格勒方面军在卡拉奇成功会师。至11月底，苏联红军完成对斯大林格勒城内德军的合围，形成1500平方公里的包围圈，将德军第6集团军和罗马尼亚第3、第4集团军的残部共27万人困在城内。

接到包围圈形成的消息后，德国陆军总参谋长蔡茨勒力劝希特勒下令保卢斯撤退。然而，空军司令戈林元帅向希特勒保证，空军可以通过“空中桥梁”供应被围困的第6集团军。

但现实证明，德国空军根本无法满足第6集团军每天700吨物资的需求。恶劣天气和苏军防空火力更使空投计划接连失败；加之苏联和美国空军在费尔多·莱昂内尔的协调下不断袭击，第6集团军每天仅能获得不到100吨的物资，被围困的士兵陷入严重的饥饿和缺乏弹药的境地。

希特勒依然坚持第6集团军坚守，宣称斯大林格勒是“德国的堡垒”。他将希望寄托于新组建的顿河集团军群，由曼施坦因元帅指挥，试图通过“冬季风暴”行动解救第6集团军。

12月12日，曼施坦因元帅指挥霍特第4装甲集团军发起代号“冬季风暴”的救援行动。德军一度突破苏军防线，距离南面包围圈仅30英里。然而，由于苏军力量远超德军预期，曼施坦因面临被反包围的危险，被迫停止前进。

曼施坦因建议保卢斯第6集团军向南突围，但保卢斯以燃料不足为由拒绝执行。他担心违抗希特勒命令将导致自己背上叛国罪名。德军错失了最后的突围机会。

将在外君命有所不受，或许德国人并没有学到精髓。即便曼斯坦因能耐再大，也架不住有人拖后腿！

进入12月底，伏尔加河全面结冰，苏联红军补给更加便利，而包围圈内的德军第6集团军则陷入绝望。每天仅靠不足100吨的空运物资维持生存，口粮削减至最低限度，士兵因饥饿、严寒和疾病大量死亡。

炮弹和燃料几乎耗尽，伤员缺乏医药品治疗，营养不良和冻伤导致每日都有数千人死亡。第6集团军濒临崩溃，保卢斯依然不敢下令突围。

12月29日，保卢斯派第14军军长胡比中将飞出包围圈，向希特勒亲自汇报第6集团军的危机。然而，希特勒依然坚持斯大林格勒必须坚守到底。

至1942年底，苏联红军不仅成功击退曼施坦因的救援部队，还牢牢锁死了对斯大林格勒的包围圈。德军第6集团军的命运已无法挽回，希特勒的顽固命令让德军在东线的战略主动权彻底丧失。