10月中旬，恼羞成怒的德军向斯大林格勒发动了更为猛烈的进攻。
10月底，苏德双方都已筋疲力尽，战斗渐渐停下来。德军保卢斯的第6集团军已经无力继续进行大规模的进攻了。
11月上旬，尽管德军占领了市区的大部分，但始终没能消灭市内的各个防御点，并为此付出了沉重的代价。
就在双方进行激烈的市区争夺战期间，苏军最高统帅部在9月中旬就已经制定出了斯大林格勒战役的反攻计划，并开始积极准备。
根据计划，苏军参加反攻的有斯大林格勒方面军、顿河方面军和新组建的西南方面军，总共110万人，配有新式的T-34坦克和威力强大的“喀秋莎”火箭炮。
当时，德国B集团军群虽然也纠集了80个师，近100万人，但两翼兵力较弱。掩护德军南翼的是罗马尼亚第4集团军，掩护德军北翼的是罗马尼亚第3集团军、意大利第8集团军和匈牙利第2集团军。这些仆从国军队装备较差，战斗力也较弱。因此，总的来说苏军在兵员、大炮和坦克的数量方面都占有优势。
11月19日早晨，隆隆的炮声揭开了西南方面军、顿河方面军和斯大林格勒方面军反攻的序幕。苏军新装备的1250台“喀秋莎”火箭炮，一次就可发射1万发炮弹，德军官兵对此惊恐不已，斗志大减。
11月20日拂晓，斯大林格勒正南方向的斯大林格勒方面军突破了罗马尼亚第4集团军的防线后继续北上，在11月23日傍晚与卡拉奇的西南方面军会师，从而把斯大林格勒地区的德军22个师（约30万人）合围起来。
这天晚上，德国第6集团军司令保卢斯向希特勒发出一份无线电报，证实了他的部队已经被苏军包围。
希特勒立即回电，指示保卢斯把司令部迁入斯大林格勒城内，死守待援，由空运解决部队的给养问题。
但是，希特勒的话等于白说。每天空运物资至少要750吨。在这种风雪交加的天气中，苏联战斗机已经牢牢掌握制空权的情况下，德国空军想完成这个任务是根本不可能的。何况，德国空军缺少足够的运输机呢。因此，更为有效的办法是替德国第6集团军解围。
11月25日，希特勒把曼施坦因元帅从列宁格勒前线调来，让他从西南向前推进，替第6集团军解围。曼施坦因以第4装甲集团军为前锋，向东北进攻，夹击了处于两支德军之间的苏联军队。
由于希特勒不同意第6集团军从伏尔加河撤退，这意味着第6集团军必须留在斯大林格勒，也就意味着曼施坦因必须杀开一条血路，打到斯大林格勒。
很快，曼施坦因发现自身难保，于12月23日停止北上，开始后撤。这样，被围的德军第6集团军成为瓮中之鳖。
这时候，严冬的寒风已经袭击南部草原，到处都是积雪，气温降到零度以下，被围的德军处境十分狼狈：坦克缺少燃料不能开动，大炮缺少炮弹，马匹被宰杀精光，士兵们喝的只有雪水。德军忍受着饥饿、严寒和炮火的轰击，蜷缩在战壕里，等待着灭亡的命运。
1943年1月26日，包围圈被切成了南北两块：保卢斯为首的9个师困在市中心，另外12个师在北部工厂区。这时的保卢斯还在艰难地执行着希特勒的命令：“不许投降。第6集团军必须死守阵地，直至最后一兵一卒、一枪一弹。你们的坚持对建立一条防线和拯救西方世界将是永志难忘的贡献。”
在苏军的强烈攻势下，保卢斯于1月30日电告希特勒“最后的崩溃不出24小时之内”。果然，第二天傍晚，苏联军队进入了第6集团军司令的地下室，保卢斯不得不投降。北部工厂区的德军坚持得稍微长一点，2月2日中午，这支部队也被迫投降。
1943年2月2日，斯大林格勒战役以苏军胜利而宣告结束，德军遭到了毁灭性的打击。历时180天的斯大林格勒保卫战震惊了世界，成了第二次世界大战的转折点。从此，德军一蹶不振，希特勒的这台“战争机器”也开始走下坡路了。
1942年7月12日，苏联组建了斯大林格勒方面军，下辖第62、第63、第64集团军、第21集团军，以及空军第8集团军。
后来，该方面军还编有第28、第38、第57、第51、第66、第24集团军，近卫第1、第2集团军，突击第5集团军，坦克第1、4集团军，空军第16集团军。
7月17日，斯大林格勒方面军在顿河中游一线的克列茨卡亚至上库尔莫亚尔斯卡亚大弯曲部防守。
德军在西南方向突破苏军防线后，斯大林格勒方面军奉命在顿河大弯曲部防守，阻击德军进入伏尔加河一带。
由于防御地带宽达800公里，不利于指挥。斯大林格勒方面军于1942年8月7日分解为斯大林格勒方面军和东南方面军。此时的斯大林格勒方面军下辖第63、第21、第62集团军，坦克第4集团军，空军第16集团军。
在斯大林格勒防御战中，斯大林格勒方面军、东南方面军和顿河方面军协同，使德军损失惨重，苏军顽强地守住了市区，并为斯大林格勒大反攻创造了条件。
1942年9月28日，斯大林格勒方面军改番号为顿河方面军，东南方面军改番号为斯大林格勒方面军。此时的斯大林格勒方面军下辖第28、第51、第57、第62、第64集团军和空军第8集团军。12月，突击第5集团军和近卫第2集团军转隶斯大林格勒方面军。
11月23日，斯大林格勒方面军、西南方面军在伏尔加河和顿河的两河之间包围了德军33万人。
12月12-30 日，斯大林格勒方面军发动了科捷利尼科夫斯基战役，粉碎了德军为斯大林格勒被合围军队解围的计划，歼灭了科捷利尼科夫斯基地域的德军。
1943年1 月1日，斯大林格勒方面军又改番号为南方面军。
3.夺回战场主动权
1943年，苏联卫国战争出现了根本性转折，苏德战场的战略形势出现了有利于苏军的局势，使苏军在广阔战线上有了发动大反攻的可能。
苏军最高统帅部计划在苏德战场的整个南翼发动大反攻，在顿巴斯和罗斯托夫方向继续扩大战果，苏军的矛头直指德军“顿河”、“B”、“A”三个集团军群。同时，苏军最高统帅部还计划在西北和西方方向发动大规模反攻。苏军在苏军统帅部的指挥下，在列宁格勒至高加索的广大战线上，开始了大反攻。
北高加索方向：
早在1942年12月，德军陆军总参谋长蔡茨勒就向希特勒建议，德军应该撤离高加索。为了保证罗斯托夫以北顿河右岸的安全，希特勒拒绝“A”集团军群从高加索完全撤军，但同意逐渐撤到马内奇河和库班河沿岸。
由于苏军有可能从后面包围A集团军群，希特勒下令撤出高加索东南部的部队，加强黑海沿岸和山区的防线，并计划先将坦克第1集团军从纳尔奇克、莫兹多克撤离。顿河集团军群负责在罗斯托夫以东拦截苏军。
1943年1月初，斯大林格勒方面军改番号为南方面军，南方面军向前推进150-250公里，歼灭了科捷利尼科尔斯基的德军，又南下与北高加索方面军会师。苏军经过一番激战，歼灭了北高加索的德军，收复了20多万平方公里的领土，德军损失28万多人。
哈尔科夫和顿涅茨盆地方向：
在苏军歼灭德军第6集团军的同时，戈利科夫率领的沃罗涅日方面军计划对德军发动进攻。沃罗涅日方面军的进攻目标为哈尔科夫和顿涅茨盆地，其进攻正面从利夫内至坎帖米罗夫卡，宽达480多公里。而列伊特率领的布良斯克方面军从北面、瓦杜丁率领的西南方面军从南边发动进攻，协同沃罗涅日方面军作战。
戈利科夫获准以3个星期的时间进行战前准备。苏军侦察兵从空中和许多靠近匈牙利部队阵地的观察所和指挥所进行侦察。
戈利科夫严禁各集团军实施战斗侦察和出动战斗搜索组。很快，他就得到报告：匈牙利部队防线由两个防御地带组成，一个防御地带的纵深仅为6公里多，另一个约为16-19公里。
由于匈牙利部队消极防御，因此戈利科夫把次要方向上的火炮和迫击炮几乎都集中到主攻方向，使主攻方向上每公里正面的火炮和迫击炮达到125门左右。所有各种口径的火炮均作好了摧毁敌军支撑点的准备。
由于草原地带缺少遮蔽物，这就迫使苏军只能在夜间通过160多公里的路程进入前线。苏军的保密措施十分有效，匈牙利部队误以为苏军兵力消耗殆尽了。
1943年1月7日，距离苏军预定的进攻日只有7天。当天，匈牙利第2集团军参谋长科瓦奇向匈牙利统帅部递交了一份电报，说苏军不可能对他的阵地发动任何进攻。
为了歼灭奥斯特罗戈日斯克、卡缅卡、罗索什一带的匈牙利第2集团军、德军第24装甲军和意大利阿尔卑斯步兵军，苏军沃罗涅日方面军的第40集团军、坦克第3集团军、空军第2集团军、独立步兵第18军和骑兵第7军，以及西南方面军第6集团军发动了奥斯特罗戈日斯克-罗索什战役。
戈利科夫决定于1月14日发动主攻。1月12日，戈利科夫派出的试探性侦察竟使敌军乱成一团，结果苏军趁机突入匈牙利防线4公里多。
1月13日，苏军第40集团军奉命出击。1月14日，其他部队全线进攻。苏军在进攻中，对德军防线中的地雷场首次使用了坦克推动的滚压式扫雷器，效果很好。
苏军火力准备充分，使敌军炮兵观察所在几分钟内就被摧毁，苏军步兵和坦克在进攻中损失很小。敌军坚守一年的野战阵地于1月15日被苏军从3个方向突破。
匈牙利装甲部队多次发动逆袭。1月16日，匈牙利部队的通信系统陷入瘫痪，开始各自为战。1月l7日，苏军第40集团军推进到奥斯特罗戈日斯克，在这里与独立步兵第18军胜利会师。
1月18日，雷巴尔科率领第3坦克集团军与莫斯卡连科率领的第40集团军在阿列克谢耶夫卡胜利会师。至此，苏军包围了匈牙利第2集团军的大部分兵力、意大利阿尔卑斯步兵军的一部和第24装甲军、克拉默集群。另外，从波德文尔诺耶向卡缅卡发动进攻的苏军坦克第12军到达卡尔片科沃，与独立步兵第18军的阵地连接。
德军被苏军切断了退路，希持勒仍表示他不想让被围部队从沃罗涅日撤退，但他又不想让斯大林格勒的历史重演。最终，轴心国军放弃并焚烧了沃罗涅日城，趁着暴风雪向西突围，其中大部分部队冒着摄氏零下25度的严寒向雷耳斯克奔行190多公里才逃出包围圈，德军的重装备几乎损失殆尽。
这次战役，苏军向前推进了140公里，德军15个师被围歼，6个师遭受重创，86000多名德军被俘虏。苏军在德军防线中冲开了250公里宽的缺口，为沃罗涅日-卡斯托尔诺耶战役和向哈尔科夫进攻奠定了基础。
1月21日，魏克斯向希特勒报告了一幅十分悲惨的景象：B集团军群扼守的防线出现了一个宽大的缺口。魏克斯对阻止苏军的攻势几乎不抱任何希望。当苏军改变进攻路线，绕开所有德军支撑点迂回进攻时，魏克斯感到更绝望了。德军第2集团军的处境十分危险，而且苏军的目标很可能是通过这一缺口向西南继续进攻，从而切断德军顿河集团军群的逃生之路。
希特勒从中央集团军群派来一个步兵师，又从西欧调来豪塞尔指挥的第2党卫军装甲军，但增援部队远在半路上。
奥斯特罗戈日斯克至罗索什的轴心国军被苏军击溃后，德军第2集团军和匈牙利第3军（共12.5万人，火炮和迫击炮2100门，坦克65辆）落入苏军合围的突出部内。
布良斯克方面军（列伊捷尔中将）和沃罗涅日方面军（戈利科夫上将）分别从南北两面把轴心国军合围。战役计划是苏军从南北两面进攻德军第2集团军，即向卡斯托尔诺耶进行向心攻击，收复沃罗涅日-卡斯托尔诺耶一带，为日后进攻库尔斯克和哈尔科夫创造基础。
苏军计划在长74公里的4个地段上突破轴心国军防线，在两个方面军内集结重兵参加这一战役，由空军第15集团军和空军第2集团军一部（527架飞机）给予空中支援。
在4个突破地段，苏军集结了两个方面军72%的兵力、90%的炮兵和100%的坦克。如此集中使用兵力，使苏军取得了优势。苏军步兵比轴心国军多1.3-3.7倍，炮兵多1.6-8倍，坦克处于绝对优势。炮火准备的持续时间计划为30-100分钟。
1月24日，苏军第40集团军的坦克第4军向戈尔舍奇诺耶、卡斯托尔诺耶方向发起攻击。尽管轴心国军进行了抵抗，但苏联第40集团军仍于25日晚前推进了20-25公里，对盘踞沃罗涅日地区的轴心国军构成了致命的威胁。
德军统帅部立即把部队撤往顿河对岸，苏军第60集团军于1月25日收复了沃罗涅日。
苏军第38集团军于25日，第13集团军于26日，先后开始了进攻，向卡斯托尔诺耶推进。
1月28日，苏军第40、第13、第38集团军在卡斯托尔诺耶会师，切断了轴心国军向西撤退的主要公路。另外，第13、第40集团军一部推进到轴心国军的正面。德军第2集团军和匈牙利第3军在卡斯托尔诺耶东南一带被包围。
为歼灭敌军，苏军又调来第38集团军和第40集团军的部分兵力。两个方面军开始向季姆河和奥斯科尔河发起攻势。但是，由于苏军歼灭被围敌军的兵力不足，尤其是苏军在合围敌军的正面兵力明显不足，同时没有组织好各部队之间的协同，经过多次激战，轴心国军虽然损失惨重，但仍突破了合围的正面，于2月2日向西撤退。苏联第38集团军继续追击，于2月2-17日的追击战中消灭了敌军的主力。
在沃罗涅日-卡斯托尔诺耶战役中，苏军击溃轴心国军11个步兵师，收复沃罗涅日州和库尔斯克州广大地区，为向库尔斯克和哈尔科夫方向进攻奠定了基础。
苏军朝纵深又推进约120公里，推进速度每昼夜约12-14公里。沃罗涅日-卡斯托尔诺耶战役的准备期限只有4天，而战役是在严冬多雪的艰难条件下发动的，战役中摩托雪橇营第一次进入战场。战役经验教训为，歼灭被围的大量敌军必须有统一的指挥才行。
顿河和伏尔加河方向：
在斯大林格勒战役胜利结束后，顿河方面军从顿河向西推进，西南方面军从伏尔加河继续向西推进。
在整个冬季，德军A集团军群一直处于来自后面的加里宁方面军和西方面军的强大压力之下。A集团军群担心苏军一旦挥戈北上高加索，A集团军群处境将十分危险。A集团军群请求准许他们撤离尔热夫附近的大突出部，组建预备队来对付来自后面的威胁，但是希特勒拒绝撤军。