A szovjet vezérkar felismerte, hogy a Volgához való előretörés során a 6. német hadsereg szárnyai elnyúltak, és ezeket a német erőknél rosszabbul felszerelt és alacsonyabb harcértékű - román és olasz csapatok biztosították. Ezért - miközben Csujkov tábornok 62. hadserege a város védelmében csak a legszükségesebb utánpótlást kapta - az újonnan felsorakoztatott tartalékokat ide csoportosították. November 19-én a várostól észak-nyugatra a Délnyugati Front (Vatutyin tábornok) és a Doni Front (Rokosszovszkij marsall) csapatai, 20-án pedig a várostól délre a Sztálingrádi Front (Jerjomenko marsall) indította meg a támadást összesen 11 hadsereggel, amelyek közül hat volt páncélos. A frontot mindkét szárnyon egyetlen nap alatt áttörték, szétverték a 3. és 4. román hadsereget, és a gyorsan előretörő páncélosékek 23-án a Don mellett Kalacsnál találkoztak, ezzel bekerítve a 6. hadsereget. Hitler megtiltotta a visszavonulást a Donhoz, és a gyűrű bezáródása után a kitörésre sem adott engedélyt. Ebben a döntésben közrejátszott az is, hogy Göring biztosította, hogy a Luftwaffe képes utánpótlással ellátni a bekerített csapatokat, amíg a gyűrűt nem sikerül áttörni. Valójában a 6. hadsereg szükségleteinek csak töredékét tudták légi úton bejuttatni a gyűrűbe.

December 12-én Manstein tábornagy vezetésével indult meg a 6., 17., és a 23. páncéloshadosztály támadása a 6. hadsereg felmentésére Délnyugat (Kotyelnyikovo) felől. A "Téli Vihar" fedőnevű hadművelet kezdetben jól haladt, és mintegy 60 kilométerre sikerült megközelíteni a 6. hadsereg peremvonalát. Az offenzíva azonban 23-ára erejét vesztette és elakadt, majd 26-án a szovjet nyomás hatására Manstein kénytelen volt megkezdeni a visszavonulást. Ezt követően már remény sem volt a 6. hadsereg felmentésére. A szovjetek sikeresen stabilizálták a gyűrűt, majd több kiegészítő offenzívát indítottak (ezek egyike során verték szét december második felében először a 8. olasz, majd januárban a Don-kanyarban a 2. magyar hadsereget). Januárban súlyos harcok közepette először kettévágták, majd február 2-ra felszámolták a sztálingrádi katlant. Paulus tábornok az utolsó pillanatban, január 30-án megkapta tábornagyi kinevezését Hitlertől. Ez voltaképpen felszólítás volt az öngyilkosságra (korábban soha egyetlen német tábornagy sem hagyta élve elfogni magát), aminek azonban nem tett eleget, hanem fogságba esett. A teljes német veszteség mintegy 250 ezer fő volt, ebből kb. 90 ezer esett hadifogságba.