经过三个月血腥的战斗至十一月初，德军终于缓慢地推进到了伏尔加河岸，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
十一月十一日，德军以五个步兵师、两个装甲师和两个工兵营在宽五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。保卢斯被迫于次日停止了进攻，修整部队。苏军的损失同样严重
根据苏联方面统计，从七月到十一月的战斗中，德军在顿河、伏尔加河和斯大林格勒的战斗中损失约七十万人，一千余辆坦克，两千多门火炮，一千四百余架飞机。
于是，苏军最高统帅部自九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。至十一月中旬，在斯大林格勒地域城外的南北两侧的苏军计三个方面军十个诸兵种合成集团军，一个坦克集团军，四个空军集团军和若干个独立军、坦克军和旅，共一百四十三个师，一百一十万人。当面的德军b集团军群共有八十个师又三个旅，约一百万人。
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。十一月十三日，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；六集团军的合围；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十一月十九日，斯大林格勒方面军为十一月二十日。
当德军最高统帅部接到苏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”为第六集团军的空中补给。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，其每天三百吨的运输上限也无法满足每天七百吨的需求。但希特勒仍然支持戈林的计划，希特勒遂下令保卢斯坚守阵地，第六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。由于恶劣天气和苏军防空火力，空投计划很快就遭受失败。另一面，苏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。
十一月二十一日，希特勒下令将曼施泰因元帅的第十一集团军扩建为顿河集团军群，由曼施泰因元帅任司令，并把保卢斯第六集团军、霍特第四装甲集团军和罗马利亚第三集团军、第四集团军交与他指挥。曼施泰因认为，德军唯一成功的机会在于第六集团军从斯大林格勒向西南突围，霍特第四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。但十一月三十日，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。
十二月十二日，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。德军以霍特第四装甲集团军为先导，于十二月十六日突破了苏军第五十一集团军在阿克赛河上的防线。至十二月十九日，第四装甲集团军所属的第五十七装甲军已突进到离南面包围圈三十英里以内的地方。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四装甲集团军会合。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。十二月二十七日，苏军发动强大反击将霍特第四装甲集团军击退两百公里，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。
一九四三年一月，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二百五十公里以上的距离。事实上，第六集团军已经完全失去了增援。
最后，德第六集团军司令保卢斯元帅，步兵第四军军长普费费尔中将、第五十一军军长库尔茨巴赫中将、第二九五师师长科尔费斯少将等二十三位将官被俘，约十四万人死亡，只有三万余伤患者事先陆续空运撤出。
无论从什么角度评论，斯大林格勒战役都是二战中甚至人类战争史上最为惨烈的战役之一。整个战役持续一百九十九天。由于战役规模太大，伤亡者人数始终无法得到准确统计。在战役最后阶段，德军仍然对苏军造成了沉重的打击，同时，苏军也几乎消灭了德军第六集团军全部，下辖第八步兵军、第十一步兵军、第五十一步兵军，第十四装甲军和第四装甲集团军部分，有二十一个德国师的番号被从序列表中消去，另有大量直属部队被消灭。
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