苏军最高统帅部自9月底开始准备大反攻，并向斯大林格勒方向秘密调集了大量兵力。至11月中旬，在斯大林格勒地域的苏军计3个方面军143个师110.6万人，计15500门火炮和迫击炮，1463辆坦克和强击火炮， 1350架飞机。 11月13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“乌兰”。该计划规定：西南方面军由图瓦京中将指挥，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6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11月19日，斯大林格勒方面军为 11月20日

　　 11月19日，图瓦京的西南方面军和罗科索夫斯基的顿河的方面军在纷飞的大雪中发起了反攻，很快突破了负责掩护德第6集团军侧翼安全的罗马利亚第3集团军的阵地，一天之内向前推进了20多公里。20日，叶廖缅科的斯大林格勒方面军也转入反攻，突破了罗马利亚第4集团军的防线，向北直趋卡拉奇。22日，西南方面军开始分批渡过顿河。23日，西南方面军和斯大林格勒方面军在卡拉奇会师，从而切断了德第6集团军的后方交通线。至30日，苏军3个方面军将德第6集团军的第4、第8、第11、第51步兵军和第14装甲军计5个军22个师，约27万人合围在斯大林格勒1500平方公里的地域内。

　　 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，他几乎已经把元首说服了。然而，空军司令戈林元帅却向希特勒保证说，他可以保证第6集团军的空中补给，要多少有多少。希特勒遂下令保卢斯坚守阵地，并命令他这个集团军今后改称“斯大林堡垒”集团军。

　　 11月21日，希特勒下令将曼施泰因元帅的第11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6集团军、霍特第4装甲集团军和罗马利亚第3、第4集团军交与他指挥。希特勒在命令中指示：“顿河集团军群当前的任务，就是使敌军的攻势停顿，并夺回原已失去的阵地。”这实际上是一个不可能完成的任务。曼施泰因认为，德军唯一成功的机会在于第6集团军从斯大林格勒向西南突围，霍特第4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。但希特勒表示决不从伏尔加河撤退，第6集团军必须留在斯大林格勒，而曼施泰因必须杀开一条血路，打到斯大林格勒。

　　 12月12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4装甲集团军为先导，于12月16日突破了苏军第51集团军在阿克赛河上的防线。至12月19日，霍特第4装甲集团军所属的第57装甲军已突进到离南面包围圈30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4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。12月27日，霍特第4装甲集团军在苏军的强大攻击下，终于退回了原来的阵地，曼施泰因的“冬季风暴”宣告失败。

     12月29日，保卢斯派第14军军长胡比中将飞出包围圈去晋见希特勒，把第6集团军的情况当面向元首汇报。但希特勒还是命令第6集团军死守斯大林格勒，直到明年春天为止。同日，由于蔡茨勒的一再要求，希特勒终于同意把A集团军群从高加索撤出。

　　 1943年1月初，天气更为恶劣，温度已降到零下45摄氏度。德第6集团军的空运补给越来越少。它每日需700吨的补给量，而戈林实运到的，平均每天不到 100吨，1月6日只运来了45吨。德第6集团军濒于弹尽粮绝的境地。口粮的分配已减到了能够维持生活的标准之下；炮兵的弹药开始感到缺乏；医药品和燃料都已经用尽；数千人患上伤寒和痢疾，而冻伤的人就更多。

　　 1月8日，苏顿河方面军司令员罗科索夫斯基中将向德第6集团军司令保卢斯上将发出最后通牒，敦促其投降。保卢斯电告希特勒，要求准予他相机行事，但希特勒驳回了他的请求。10日，罗科索夫斯基的顿河方面军向被围的德第6集团军发起了代号为“指环”的进攻。1月22日，苏军占领了古门拉克机场，第6集团军的空运补给完全中断了。保卢斯向希特勒报告说：“部队已不能支持了，继续抵抗已毫无意义，请准允我们投降。”他得到的答复是：“投降是不可能的，第6集团军应在斯大林格勒尽到其英勇的责任，直到最后一人为止。”曼施泰因力劝希特勒批准第6集团军残部投降，他说：“是该结束这个英勇战斗的时候了，我的元首！我认为第6集团军为了牵制俄军已经尽了最后的努力，继续抵抗已经没有意义了。”而希特勒向曼施泰因解释说，不允许投降，“一来即使包围圈中的德军分成几个较小的单位，也还可以抵抗相当长的时间；二来，俄国人根本不会遵守对第6集团军投降后所许下的诺言。”

　　 1月30日，希特勒授予保卢斯元帅节杖，以鼓励其继续抵抗下去。他对约德尔说：“在德国历史上，还从来没有元帅被生俘的。”

　　 1月31日，保卢斯向总部发出最后一份电报：“第6集团军忠于自己的誓言并认识到自己所负的极为重大的使命，为了元首和祖国，已坚守自己的岗位，打到最后一兵一卒，一枪一弹。”同日，苏军第64集团军的第38摩步旅打到了保卢斯的司令部，第6集团军司令部发报员自己决定发出了最后一封电报：“俄国人已经到了我们地下室的门口，我们正在捣毁器材。”最后用国际电码写上“CL”，表示“本台停止发报”。

　　 苏军在地下室外叫第6集团军司令部人员投降，第6集团军参谋长施密特将军接受了要求。施密特问保卢斯：“请问陆军元帅，还有什么话要说吗？”保卢斯无话可说，只好投降。2月1日，在斯大林格勒城北的第11军残部也投降了。至此，斯大林格勒会战结束。德第6集团军司令保卢斯元帅，步兵第4军军长普费费尔中将、第51军军长库尔茨巴赫中将、第295师师长科尔费斯少将等23位将官，2000名校级以下军官和9万名士兵被俘，约14万人死亡，只有3万余伤患者事先陆续空运撤出。而被俘的9 万多人也大部分死于苏军战俘营，能活到战后的，不过几千人而已。

　　 斯大林格勒会战后，德军完全丧失了苏德战场的战略主动权，正如德国陆军总参谋长蔡茨勒将军所说的：“我们在斯大林格勒损失25万官兵，那就等于打断了我们在整个东线的脊梁骨。”