莫斯科會戰後，1942年春，隨著泥濘季節的到來，漫長的蘇德戰線相對穩定了下來，但雙方都在秣兵厲馬，準備更大規模的戰役，以爭奪戰略主動權。鑑於德軍已無力發動全線進攻，希特勒打算集中兵力在戰線南翼發動局部攻勢，以奪取高加索的石油，並切斷蘇聯與美英等盟國聯繫的物資供應線。陸軍總參謀長哈爾德將軍建議，如果再要發動攻勢，就應針對莫斯科。然而，他的建議對希特勒已不再有多大份量。1942年4月5日，希特勒發佈了第41號訓令。訓令規定：“一俟天氣和地形條件具備，德軍指揮官和部隊的優勢必將再次贏得主動權，迫使敵人就範。……堅持關於東方戰局原來的基本方針。在中路放慢進攻速度；在北面，應攻陷列寧格勒，並與芬蘭軍隊建立陸上聯繫；在戰線南翼，應突入高加索地區。考慮到冬季會戰的後果，可能使用的兵力兵器和運輸狀況，上述目標只能逐步達到。因此，目前應把所有可以動用的兵力集中到南段主要作戰方向，旨在殲滅頓河前面的敵人，接著佔領高加索地區的油田和通往高加索山脈的通道。”
為實施上述戰略意圖，德軍最高統帥部對南線兵力進行了重組，撤消了原南方集團軍群番號，新組建了A、B兩個集團軍群。A集團軍群由利斯特元帥指揮，下轄克萊斯特上將的第1裝甲集團軍和魯夫上將的第17集團軍，由空軍第4航空隊進行空中支援，其任務是攻佔高加索地區；B集團軍群由包克元帥指揮，下轄霍特上將的第4裝甲集團軍、魏克斯上將的第2集團軍和保盧斯上將的第6集團軍，由空軍頓河地區航空隊進行空中支援，其任務是攻佔斯大林格勒，掩護A集團軍群的北翼。在A、B兩個集團軍群的後方，又有第二線兵力，由匈牙利第2集團軍、意大利第8集團軍和羅馬利亞第3集團軍組成。此外，在克里米亞地區，還有曼施泰因上將的第11集團軍和羅馬利亞第4集團軍。總兵力計60個德國師，其中10個裝甲師、6個摩托化師，另外還有43個師的附庸國部隊。
按照希特勒的要求，德軍最高統帥部擬定了1942年夏季南方作戰計劃，代號“藍色作戰”。其主要內容是：利斯特A集團軍群以克萊斯特第1裝甲集團軍為左翼，魯夫第17集團軍為右翼，分別從哈爾可夫南面和塔甘羅格北面向東和東南方向進攻，佔領頓河下游的羅斯托夫，向高加索進軍；包克B集團軍群以霍特第4裝甲集團軍和魏克斯第2集團軍為左翼，保盧斯第6集團軍為右翼，分別從庫爾斯克南面和哈爾可夫北面向東和東南方向突擊，佔領頓河上游的沃羅涅日，向斯大林格勒前進。
蘇軍最高統帥部同樣也在加緊準備1942年夏季戰役。斯大林及蘇軍最高統帥部判斷，1942年夏季，德軍可能在莫斯科方向和南方發動大規模的進攻，並以莫斯科為主要突擊目標。因此，蘇軍最高統帥部決定將預備隊的大部分兵力集中在莫斯科方向。蘇軍的戰略意圖是：近期進行積極的戰略防禦，但同時必須在克里米亞、哈爾科夫地區、利戈夫—庫爾斯克方向，斯摩稜斯克方向，以及列寧格勒和傑米揚斯克地域實施一系列進攻戰役。在討論具體作戰計劃時，斯大林對西南方向總司令鐵木辛哥元帥提出的西南方向進攻計劃很感興趣也全力支持。蘇軍總參謀長沙波什尼科夫元帥卻表示總參謀部不同意這一計劃，並說大本營不能，也沒有足夠的預備隊提供給西南方向。斯大林立即打斷了他的話，說：“我們豈能坐等德寇首先突擊！必須在寬大的正面上先敵實施一系列的突擊，這樣才能摸清敵人的準備情況。我看，朱可夫提出的在西方方向上展開進攻，而在其它方向上實施防禦，我認為這是個不徹底的治標辦法。”最後，斯大林批准了鐵木辛哥以西南方向兵力先敵實施哈爾可夫進攻戰役的計劃。該計劃規定，從沃爾昌斯克地區和巴爾文科實施向心突擊，一舉奪取哈爾可夫併為解放頓巴斯創造條件。
1942年5月8日，曼施泰因上將指揮的德第11集團軍首先在克里米亞發起了攻勢，一週後佔領了刻赤半島，俘虜蘇軍17萬人。7月4日，守衛塞瓦斯托波爾要塞的近10萬蘇軍被迫向德軍投降，德軍佔領了整個克里米亞。
5月12日，當刻赤半島正在激戰之際，鐵木辛哥元帥指揮西南方面軍和南方方面軍，分別從哈爾可夫的東北和東南兩面向哈爾可夫發起進攻。進攻開始時發展順利，突破了德軍防禦，並於3晝夜內前進了25—50公里。斯大林很高興，並據此譴責總參謀部，說險些因為總參謀的固執己見而取消了一次如此順利的戰役。但斯大林沒能高興多久。5月17日，德軍克萊斯特第1裝甲集團軍在第17和第6兩個集團軍支援下，從哈爾可夫南面向蘇軍側翼發起反攻，並於5月23日合圍了蘇南方方面軍的第9、第57集團軍、西南方面軍的第6集團軍和博布金戰役集群。至5月29日，被圍蘇軍大部被殲。蘇軍西南方面軍副司令員科斯堅科中將、第57集團軍司令員波德拉斯中將、第9集團軍司令員戈羅德揚尼斯中將、戰役集群司令員博布金少將陣亡。蘇軍共25萬人被俘，損失坦克1249輛，火炮2026門。
哈爾可夫之戰拉開了斯大林格勒會戰的序幕。德軍旗開得勝，希特勒信心倍增；蘇軍損失慘重，斯大林懊悔莫及。
燃燒的頓河
6月28日，包克B集團軍群左翼霍特第4裝甲集團軍和魏克斯第2集團軍突然從庫爾斯克向東攻擊，直指頓河上游的沃羅涅日。6月30日，右翼保盧斯第6集團軍也從哈爾可夫東北發起了進攻，向東南挺進，以斯大林格勒為目標。7月2日，霍特第4裝甲集團軍的前鋒已逼進沃羅涅日。但希特勒突然改變了計劃，決定不佔領該城，他命令霍特在獲得第2集團軍的接替後，迅速轉向南面沿頓河向斯大林格勒前進。包克元帥卻想佔領沃羅涅日，以徹底殲滅該地域內的蘇布良斯克方面軍主力，這使希特勒大為惱怒，當即撤消了包克老元帥的B集團軍群司令之職，由第2集團軍司令魏克斯上將接任，第2集團軍司令則由薩姆斯將軍繼任。
高加索方向，利斯特A集團軍群於7月9日發起進攻。其左翼克萊斯特第1裝甲集團軍從哈爾可夫南面向頓尼茲河北岸進擊。魯夫第17集團軍則從塔甘羅格北面向伏羅希洛夫格勒進攻。
由於剛在哈爾可夫之戰中吃過德軍合圍的虧，蘇軍的許多部隊生怕在陷入包圍，倉惶後撤。哈爾德在7月16日的日記中寫道：“在第1裝甲集團軍從西面，第4裝甲集團軍從北面的夾攻之下，敵軍分成了幾個集團，分別向各個方向逃竄，此時，在這個混戰地區之東，大德意志和第24兩個裝甲師，正在向頓河賽跑，一路都不曾受到敵人的嚴重抵抗。”
7月17日，霍特第4裝甲集團軍推進到頓河中游，保盧斯第6集團軍也前出到頓河大彎曲部。在高加索方向，克萊斯特第1裝甲集團軍渡過了頓尼茲河，向頓河下游的羅斯托夫前進，魯夫第17集團軍則佔領了伏羅希洛夫格勒。
然而，希特勒再次改變了計劃。他認為斯大林格勒無需那麼多兵力，遂於17日命令霍特第4裝甲集團軍從斯大林格勒方向南下，轉隸A集團軍群，以支援克萊斯特第1裝甲集團軍強渡頓河下游。這樣，斯大林格勒方向的進攻部隊就只剩下了保盧斯的第6集團軍，而第6集團軍的動量卻又有賴於第4裝甲集團軍的合作。對此，英國軍事史學家富勒寫道：“和1941年一樣，因為分散了兵力，希特勒自己毀滅了他的戰役。1941年，他因為調動古德里安的裝甲兵團去參加基輔會戰，才使他未能攻下莫斯科。這一次又是因為調動了霍特的裝甲集團軍，從頓河中游到下游去，結果遂使他未能攻克斯大林格勒。”利德爾·哈特也在其《戰略論》中寫道：“假使朝斯大林格勒方向進攻的第4裝甲集團軍，不分兵向南，以協助第1裝甲集團軍在攻向高加索的路程上，作渡過下頓河的企圖，那麼在7月間，德軍也許早已輕鬆的攻佔了斯大林格勒……而等到第4裝甲集團軍再回轉過頭向北進攻的時侯，俄國人在斯大林格勒已集中兵力，嚴陣以待了。”
保盧斯的第6集團軍繼續向斯大林格勒前進。該集團軍轄有6個軍，其中兩個裝甲軍，計14個師約27萬人，近500輛坦克，3000門火炮和迫擊炮，由第4航空隊1200架作戰飛機進行支援。
斯大林格勒原名察裡津，1918年後改稱斯大林格勒。它位於伏爾加河下游西岸，距頓河大彎曲部以東約60公里。伏爾加河與頓河成“兒”字形，左邊一畫是頓河，向西南注入亞速海，右邊一畫是伏爾加河，向東南注入裡海。斯大林格勒是蘇聯南部的政治、經濟、文化中心、水陸交通的中轉站，也是來自高加索的石油轉運站和重要的軍事工業基地，具有重要的戰略意義。另外，因為它叫斯大林格勒，所以斯大林決心要守住這個城市。
蘇軍最高統帥部於7月12日在西南方面軍原有基礎上組建了斯大林格勒方面軍，由鐵木辛哥元帥任司令員（7月23日起改由戈爾多夫中將接替），擔負斯大林格勒方向的防禦任務。該方面軍編成內有從大本營預備隊調來的第62、第63、第64集團軍，原西南方面軍的第21、第28、第38、第57集團軍殘部，第13、第22、第23坦克軍，以及空軍第8集團軍和海軍伏爾加河區艦隊。計12個師約16萬人、2200門火炮和迫擊炮、近400輛坦克和454架飛機。
1942年7月17日，蘇德雙方在斯大林格勒遠近地展開了激烈的交戰，會戰正式開始。德第6集團軍在保盧斯上將指揮下，以第8步兵軍和第14裝甲軍為北突擊集團，以第51步兵軍和第24裝甲軍為南突擊集團，向蘇軍62集團軍實施包圍突擊。同時，以部分兵力向蘇軍第64集團軍發起佯攻，以吸引蘇軍的注意力。7月23日，德軍突破蘇軍第62集團軍右翼，合圍了該集團軍的2個師，前出到斯大林格勒西面的頓河河岸。斯大林再也按捺不住對鐵木辛哥元帥的失望，撤消了他斯大林格勒方面軍司令員的職務，由第64集團軍司令戈爾多夫中將接任，並派總參謀長華西列夫斯基上將作為最高統帥部代表前往斯大林格勒協助指揮戰事。斯大林還決定將預備隊的坦克第1和第4集團軍火速調往斯大林格勒地域，又從遠東調來10個師加強斯大林格勒的防禦。隨後，斯大林於7月28日發佈了第227號命令，嚴厲要求蘇軍部隊“絕對不許後退一步！”
7月25、27日，蘇軍以剛開來的坦克第1和第4集團軍進行反突擊。德第6集團軍由於缺少裝甲兵力的支援，被迫轉入防禦態勢。
7月30日，希特勒又作了一個影響命運的決定。他宣佈：“因為高加索的命運是將要在斯大林格勒決定，所以由於這個會戰的重要性，遂有從A集團軍群抽調兵力以增強B集團軍群之必要。”於是，霍特的第4裝甲集團軍又歸還給B集團軍群，並於8月1日奉命沿科捷爾尼科沃——斯大林格勒鐵路向東北方向進擊，當天迅速突破了蘇第51集團軍的防線，佔領了蒙特納亞。8月3日，霍特攻佔了科捷爾尼科沃，接著又於5日突破了蘇第64集團軍的防禦，前出到阿勃加涅羅沃地域，但之後遭到了蘇軍越來越頑強的抵抗和反擊，霍特只好放棄了獨立攻佔斯大林格勒的想法，於8月9日轉入守勢。
8月5日，蘇軍最高統帥部決定將斯大林格勒方面軍改組為東南、斯大林格勒兩個方面軍，由華西列夫斯基上將統一指揮。東南方面軍由葉廖緬科上將指揮，編成內有第64、第57、第51集團軍，以及坦克第1集團軍、坦克第13軍和空軍第8集團軍。斯大林格勒方面軍仍由戈爾多夫中將指揮，編成內有第63、第62、第21集團軍，以及坦克第4集團軍、坦克第28軍和空軍第16集團軍。
8月19日，保盧斯和霍特重新發起了進攻。保盧斯第6集團軍從斯大林格勒西北面的特列赫奧斯特羅夫卡亞向東南攻擊，22日突破蘇第62集團軍在韋爾加奇和彼斯科瓦特卡地段的防線，強渡頓河，佔領了卡拉奇，23日推進到斯大林格勒北郊的葉爾佐夫卡地域，前出到伏爾加河，將蘇第62集團軍與斯大林格勒方面軍主力分割開來；霍特第4裝甲集團軍從南面的阿勃加涅羅沃地區向北進攻，突破了蘇第64集團軍的防禦，29日進至城南的加夫裡洛夫卡地域，其前鋒已前出到京古塔車站。9月2日，保盧斯第6集團軍右翼與霍特第4裝甲集團軍左翼在舊羅加奇克地區取得了聯繫。與此同時，德第4航空隊出動了大批飛機，將斯大林格勒炸成了一片火海。
鑑於斯大林格勒異常嚴峻的形勢，斯大林決定給朱可夫一個副最高統帥的頭銜，到斯大林格勒坐鎮指揮，並決定立即調撥第24、第66集團軍和近衛第1集團軍開赴斯大林格勒。8月29日，朱可夫飛到斯大林格勒，立即著手組織第24、第66集團軍和近衛第1集團軍的反擊行動。9月3日，斯大林致電朱可夫：“斯大林格勒的形勢惡化了。敵人距斯大林格勒3俄裡（1俄裡=1.06公里）。如果北部集團部隊不立即援助，斯大林格勒就有可能在今天或明天被攻佔。應要求位於斯大林格勒以北和西北的各部隊司令員立即突擊敵人和援助斯大林格勒的軍民。不得有任何遲緩。現在遲延就等於犯罪。應將全部飛機用於援助斯大林格勒。斯大林格勒剩下的飛機很少了。”
9月5日拂曉，朱可夫將3個新銳集團軍投入反擊。激烈的戰鬥持續到傍晚，蘇近衛第1集團軍才前進了2—4公里，而第24集團軍幾乎仍停留在原陣地。當晚，斯大林以強硬的口氣命令朱可夫：“繼續衝擊，你們的主要任務是把儘可能多的敵人調開斯大林格勒。” 9月6日，蘇軍再次發起衝擊，但是，這次衝擊又一次被德軍擊退了。9月10日，蘇軍試圖從北面實施突擊，恢復同第62集團軍的聯繫，又遭到失敗。 9月12日，斯大林召集朱可夫和華西列夫斯基開會，討論斯大林格勒的局勢，一致認為：“必須尋求另一種解決辦法。”
在高加索方向，利斯特A集團軍群以高速前進。8月9日，克萊斯特第1裝甲集團軍佔領了梅柯普油田。8月22日，克萊斯特的士兵在海拔18526英尺的厄爾魯斯山峰上升起了第三帝國的萬字旗。8月25日，克萊斯特部又攻佔了莫茲多克，距格羅茲尼四周的蘇聯最大產油中心只有50英里，距裡海也只有100英里。8月31日，希特勒要求A集團軍群司令利斯特元帥傾其所有的力量向格羅茲尼作最後進攻，儘快拿下油田。但德軍衝擊力迅速下降，進展緩慢。9月9日，希特勒免去了利斯特元帥的A集團軍群司令的職務，由第1裝甲集團軍司令克萊斯特上將接任，第1裝甲集團軍司令則由麥肯森將軍繼任。克萊斯特上任後，雖然竭盡全力，也無法再前進一步。因為衝擊力喪失的主要原因是缺乏燃油。萊斯特說：“因為黑海航路相當不安全，所以我們的補給大部分是必須從羅斯托夫‘瓶頸’用鐵路運來，有一部分是靠空運，但其總量還是不足以維持前進的動量。”
此時，德軍在蘇聯南部的戰線是從庫爾斯克和沃羅涅日起，通過斯大林格勒到莫茲多克，長達1250英里以上。再加上從庫爾斯克到列寧格勒之間的800英里，德軍在蘇聯的戰線全長已在2000英里以上，而以德國的兵力和資源，根本就不足以維持如此長的戰線。特別危險的是，從斯大林格勒沿頓河上溯至沃羅涅日共長350英里，竟毫無掩護。德國自己騰不出兵力來填補這個缺口，只得在這一線部署了附庸國的3個集團軍：匈壓利第2集團軍在沃羅涅日南面；意大利第8集團軍在東南面更遠一些的位置；羅馬利亞第3集團軍在斯大林格勒正西、頓河灣曲部的右側。希特勒並非不知道這些裝備和戰鬥力都極差的附庸國部隊是不足以擔負這個任務的，但他卻深信只要能迅速攻克斯大林格勒，則即可抽出足夠的兵力。哈爾德卻不同意他的看法，認為斯大林格勒是不可陷入的，力主放棄這個作戰，並向西撤退。希特勒當然不肯聽從。結果，哈爾德被免去了陸軍總參謀長的職務，原駐法國的德軍總司令庫特·蔡茨勒上將被任為陸軍總參謀長。
9月12日，希特勒從東普魯士飛抵烏克蘭的文尼察，召見了B集團軍群司令魏克斯上將和第6集團軍司令保盧斯上將，命令他們於9月13日對斯大林格勒發起新的進攻，並決定從高加索方向抽調9個師加強給第6集團軍。希特勒強調：“要儘快把那座城市拿到自己手裡，不要讓它變成人們長期矚目的焦點，更不能讓它牽扯我們更多的精力。要知道，德國要做的事情還多著呢。”
9月13日，德軍開始攻城。保盧斯第6集團軍擔當主力，從城北實施猛烈突擊。霍特第4裝甲集團軍則從城南推進，策應保盧斯在城北的主攻。14日，德軍從城北突入市區，與守衛該城的蘇第62集團軍展開了激烈的巷戰。15日，德軍對馬馬耶夫高地實施重點突擊。該高地是斯大林格勒地勢最高的一塊地方，從這裡可以俯瞰和控制全城，崔可夫中將的第62集團軍司令部即設在這裡。經過一天激戰，德軍佔領了馬馬耶夫高地，但在16日，蘇近衛第13師渡過伏爾加河進入斯大林格勒，突然向德軍發起反衝擊，又奪回了該高地。9月25日，德軍佔領了市中心，27日衝進了北部工廠區，並重新佔領了馬馬耶夫高地，但在29日又被蘇軍奪回。以後的戰鬥更加激烈。德第6集團軍的一位叫漢斯·德爾的軍官在《進軍斯大林格勒》一書中寫到：“敵我雙方為爭奪每一座房屋、車間、水塔、鐵路路基，甚至為爭奪一堵牆、一個地下室和每一堆瓦礫都展開了激烈的戰鬥。其激烈程度是前所未有的，甚至第一次世界大戰也不能相比。我們早晨攻佔了20公尺，可是一到晚上，俄國人又奪了回去。 ”
9月28日，蘇軍最高統帥部決定將斯大林格勒方面軍改稱頓河方面軍，司令員為羅科索夫斯基中將；東南方面軍改稱斯大林格勒方面軍，司令員為葉廖緬科上將；近衛第1集團軍擴建為西南方面軍，司令員圖瓦京中將。副最高統帥朱可夫大將和總參謀長華西列夫斯基上將奉命秘密擬製反攻計劃。
10月份一個月中，斯大林格勒一直進行著激烈的巷戰。蘇軍又有6個以上的滿員師經伏爾加河進入斯大林格勒。德軍逐屋戰鬥，從地面和地下的廢墟中找路前進，所以也被稱為“老鼠戰爭”。這場會戰已經變成了一個面子問題。對斯大林來說，是決不能讓這座以自己名字命名的城市落入德軍之手的。他親自下令葉廖緬科上將，要求在任何情況下都要堅守該城。每一座房屋，只要有蘇聯軍人，哪怕只有一個人，也要成為敵人攻不破的堡壘。而對希特勒來說，斯大林格勒的精神價值已超過了其戰略價值，非要攻陷它不可。當新任陸軍總參謀長蔡茨勒將軍向小心地向他指出第6集團軍北翼漫長的頓河戰線面臨著危險，建議將第6集團軍撤到頓河河曲。希特勒嚴厲地回答說：“德國士兵到了哪裡，就要守到哪裡！”
至11月初，德軍始終未能完全佔領斯大林格勒。眼看天氣又要冷下來，希特勒要求幾乎沒有多少越冬物資儲備的保盧斯在冬天來臨之前拿下斯大林格勒。11月11日，保盧斯在斯大林格勒城區內，向蘇軍據守的陣地發動了最後一次大規模進攻。德軍以5個步兵師、2個裝甲師和2個工兵營在寬5公里的正面上發起強攻。戰鬥隊形高度密集。一天之內，蘇德兩軍為爭奪每寸土地、每一座房屋，都進行了異常激烈的戰鬥，雙方傷亡慘重。德軍雖然在該城南部到達了伏爾加河，但部隊已疲憊不堪，保盧斯被迫於次日停止了進攻，修整部隊。而幾天後，蘇軍就發起了全線大反攻。
飄雪的伏爾加河
蘇軍最高統帥部自9月底開始準備大反攻，並向斯大林格勒方向秘密調集了大量兵力。至11月中旬，在斯大林格勒地域的蘇軍計3個方面軍143個師110.6萬人，計15500門火炮和迫擊炮，1463輛坦克和強擊火炮，1350架飛機。 11月13日，斯大林批准了朱可夫和華西列夫斯基擬製反攻計劃，並親自給這個計劃取代號為“烏蘭”。該計劃規定：西南方面軍由圖瓦京中將指揮，其任務是從頓河西岸的謝拉莫菲維奇和克利茨卡亞地域橋頭陣地實施主攻，突破羅馬利亞第3集團軍防禦，直插頓河東岸的卡拉奇；斯大林格勒方面軍由葉廖緬科上將指揮，其任務是從斯大林格勒南面向西北突擊，突破羅馬利亞第4集團軍防禦，與西南方面軍在卡拉奇會師，完成對德第6集團軍的合圍；頓河方面軍由羅科索夫斯基中將指揮，其任務是從斯大林格勒西北面向東南實施輔助性突擊，掩護西南方面軍的主攻。反攻日期定為：西南方面軍和頓河方面軍為11月19日，斯大林格勒方面軍為11月20日
11月19日，圖瓦京的西南方面軍和羅科索夫斯基的頓河的方面軍在紛飛的大雪中發起了反攻，很快突破了負責掩護德第6集團軍側翼安全的羅馬利亞第3集團軍的陣地，一天之內向前推進了20多公里。20日，葉廖緬科的斯大林格勒方面軍也轉入反攻，突破了羅馬利亞第4集團軍的防線，向北直趨卡拉奇。22日，西南方面軍開始分批渡過頓河。23日，西南方面軍和斯大林格勒方面軍在卡拉奇會師，從而切斷了德第6集團軍的後方交通線。至30日，蘇軍3個方面軍將德第6集團軍的第4、第8、第11、第51步兵軍和第14裝甲軍計5個軍22個師，約27萬人合圍在斯大林格勒1500平方公里的地域內。
當德軍最高統帥部接到蘇軍發起反攻的消息後，陸軍總參謀長蔡茨勒將軍力勸希特勒下令保盧斯撤出斯大林格勒，他幾乎已經把元首說服了。然而，空軍司令戈林元帥卻向希特勒保證說，他可以保證第6集團軍的空中補給，要多少有多少。希特勒遂下令保盧斯堅守陣地，並命令他這個集團軍今後改稱“斯大林堡壘”集團軍。
11月21日，希特勒下令將曼施泰因元帥的第11集團軍擴建為頓河集團軍群，由曼施泰因元帥任司令，並把保盧斯第6集團軍、霍特第4裝甲集團軍和羅馬利亞第3、第4集團軍交與他指揮。希特勒在命令中指示：“頓河集團軍群當前的任務，就是使敵軍的攻勢停頓，並奪回原已失去的陣地。”這實際上是一個不可能完成的任務。曼施泰因認為，德軍唯一成功的機會在於第6集團軍從斯大林格勒向西南突圍，霍特第4裝甲集團軍則從斯大林格勒以南的科捷爾尼科沃向東北進攻，夾擊葉廖緬科的斯大林格勒方面軍，然後再旋轉過來攻擊圖瓦京的西南方面軍的右翼。但希特勒表示決不從伏爾加河撤退，第6集團軍必須留在斯大林格勒，而曼施泰因必須殺開一條血路，打到斯大林格勒。
12月12日，曼施泰因元帥懷著沉重的心情，發起了代號為“冬季風暴”的反攻。德軍以霍特第4裝甲集團軍為先導，於12月16日突破了蘇軍第51集團軍在阿克賽河上的防線。至12月19日，霍特第4裝甲集團軍所屬的第57裝甲軍已突進到離南面包圍圈30英里以內的地方。此時，曼施泰因發現自己也有被數倍於己的蘇軍包圍的危險。於是，他決定不顧希特勒的將令，下令保盧斯立即向南突圍與第4裝甲集團軍會合。然而保盧斯在沒有接到希特勒的直接命令之前，沒有突圍的意圖，他以燃料不足為由拒絕了曼施泰因的命令，放棄了這最後一次機會。12月27日，霍特第4裝甲集團軍在蘇軍的強大攻擊下，終於退回了原來的陣地，曼施泰因的“冬季風暴”宣告失敗。
12月29日，保盧斯派第14軍軍長鬍比中將飛出包圍圈去晉見希特勒，把第6集團軍的情況當面向元首彙報。但希特勒還是命令第6集團軍死守斯大林格勒，直到明年春天為止。同日，由於蔡茨勒的一再要求，希特勒終於同意把A集團軍群從高加索撤出。
1943年1月初，天氣更為惡劣，溫度已降到零下45攝氏度。德第6集團軍的空運補給越來越少。它每日需700噸的補給量，而戈林實運到的，平均每天不到100噸，1月6日只運來了45噸。德第6集團軍瀕於彈盡糧絕的境地。口糧的分配已減到了能夠維持生活的標準之下；炮兵的彈藥開始感到缺乏；醫藥品和燃料都已經用盡；數千人患上傷寒和痢疾，而凍傷的人就更多。
1月8日，蘇頓河方面軍司令員羅科索夫斯基中將向德第6集團軍司令保盧斯上將發出最後通牒，敦促其投降。保盧斯電告希特勒，要求准予他相機行事，但希特勒駁回了他的請求。10日，羅科索夫斯基的頓河方面軍向被圍的德第6集團軍發起了代號為“指環”的進攻。1月22日，蘇軍佔領了古門拉克機場，第6集團軍的空運補給完全中斷了。保盧斯向希特勒報告說：“部隊已不能支持了，繼續抵抗已毫無意義，請準允我們投降。”他得到的答覆是：“投降是不可能的，第6集團軍應在斯大林格勒盡到其英勇的責任，直到最後一人為止。”曼施泰因力勸希特勒批准第6集團軍殘部投降，他說：“是該結束這個英勇戰鬥的時候了，我的元首！我認為第6集團軍為了牽制俄軍已經盡了最後的努力，繼續抵抗已經沒有意義了。”而希特勒向曼施泰因解釋說，不允許投降，“一來即使包圍圈中的德軍分成幾個較小的單位，也還可以抵抗相當長的時間；二來，俄國人根本不會遵守對第6集團軍投降後所許下的諾言。”
1月30日，希特勒授予保盧斯元帥節杖，以鼓勵其繼續抵抗下去。他對約德爾說：“在德國曆史上，還從來沒有元帥被生俘的。”
1月31日，保盧斯向總部發出最後一份電報：“第6集團軍忠於自己的誓言並認識到自己所負的極為重大的使命，為了元首和祖國，已堅守自己的崗位，打到最後一兵一卒，一槍一彈。” 同日，蘇軍第64集團軍的第38摩步旅打到了保盧斯的司令部，第6集團軍司令部發報員自己決定發出了最後一封電報：“俄國人已經到了我們地下室的門口，我們正在搗毀器材。”最後用國際電碼寫上“CL”，表示“本臺停止發報”。
蘇軍在地下室外叫第6集團軍司令部人員投降，第6集團軍參謀長施密特將軍接受了要求。施密特問保盧斯：“請問陸軍元帥，還有什麼話要說嗎？”保盧斯無話可說，只好投降。2月1日，在斯大林格勒城北的第11軍殘部也投降了。至此，斯大林格勒會戰結束。德第6集團軍司令保盧斯元帥，步兵第4軍軍長普費費爾中將、第51軍軍長庫爾茨巴赫中將、第295師師長科爾費斯少將等23位將官，2000名校級以下軍官和9萬名士兵被俘，約14萬人死亡，只有3萬餘傷患者事先陸續空運撤出。而被俘的9萬多人也大部分死於蘇軍戰俘營，能活到戰後的，不過幾千人而已。
斯大林格勒會戰後，德軍完全喪失了蘇德戰場的戰略主動權，正如德國陸軍總參謀長蔡茨勒將軍所說的：“我們在斯大林格勒損失25萬官兵，那就等於打斷了我們在整個東線的脊樑骨。”
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