因为苏军在1942年11月19日—11月22日的天王星行动，大约265,000名德国及罗马尼亚士兵、克罗地亚第369加强步兵团及其它志愿附属部队，包括4万的苏联志愿者部队发现自己被包围在一个口袋中，在包围圈中同时还有依然存活的苏联平民—大约10,000人，及数千名在战役中被德军俘虏的苏联战俘。
根据1942年11月19日是第6集团军共20个师（平均每师兵力为9,000人）和100营级单位，德军在包围圈中的兵力大约210,000人。在口袋里，也有大约10,000名苏联平民和几千名被德军俘虏的苏联士兵。
并不是所有隶属第6集团军的德国士兵被围困；有50,000人没有被包围在口袋内。这些大多属于在意大利和罗马尼亚军队、属于第6集团军的另外2个师：第62和第298步兵师。在这210,000名德军士兵中，10,000人仍在继续战斗、105,000人投降，35,000人被空运撤离、其余60,000人死亡，大部分是在被苏军包围11周期间阵亡或在战役结束时无法投降而自杀的。包围的苏联红军立即组成2条防卫线，1条内对垒线面向里面，以阻止所有突围的尝试，及另1条外对垒线，以防止任何救援行动。
阿道夫·希特勒于9月30日发表公开演说，表示没有任何力量可以将德军从这个城市赶走。在苏军完成包围后的1次简短会议上，德军高层建议立即向顿河以西突围来建立新的战线，但当时希特勒正与德国空军总司令戈林一同在巴伐利亚上萨尔茨堡山上贝希特斯加登别墅，当希特勒问问题时，戈林在被汉斯·耶匈尼克说服后回答德国空军能建立空中桥梁为第6集团军进行补给，这令在城中的德军于救援部队尚在集结时可以继续战斗。
类似的计划在一年前于德米杨斯克包围战中曾获得成功，尽管规模要小得多：在德米杨斯克的是一个军而不是整个集团军；还有苏军战斗部队在过去一年无论在素质及数量均有很大的改善，但是当提到在德米杨斯克成功的空运作战令希特勒加强其个人想法及在之后数年被赫尔曼·戈林赞同。
德国国防军空军第4航空队司令，沃尔弗拉姆·冯·里希特霍芬曾尝试推翻这个决定但不成功。第6集团军是当时全世界规模最大的集团军级单位及比一般德国集团军大两倍，还有第4装甲集团军的一个军被围，这些部队将必须由空运进行补给，可以显而易见对包围圈进行空运是不可能的–最高的106.6吨日运输量是远低于每日最少800吨的需要数字。
为补充数量有限的Ju 52运输机，德国人利用一些不足以担任运输机角色的飞机，例如He 177轰炸机（一些轰炸机可足够担任该任务– He 111轰炸机被证明可担任运输机角色及在速度上比Ju 52更快），但希特勒支持戈林的计划及向被围部队发出不准投降的命令。
空运补给的计划失败，恶劣的天气情况、技术上的失败、苏军高射炮的强大火力和战斗机的拦截导致德军损失488架飞机。德国空军甚至未能达到每天供应117吨的供应量，平均每日只有85吨补给物资被运到被围的德军手中。最成功的一天，12月19日154个航班，交付了289短吨（262吨）的物资；补给物资有时甚至没有什么用处：一架飞机运来20吨伏特加及夏季军服，另一个是黑胡椒和马玉兰。
安全降落的运输飞机被用来从包围圈撤离技术专家和生病或受伤的士兵（共有约42,000人被撤走）。第6集团军慢慢地饿死，飞行员十分震惊地发现部队因过于疲惫及饥饿而没有能力卸下补给品，蔡茨勒将军因看见在斯大林格勒部队的困境而感动，开始限制自己每日的口粮餐次，几周后这种饮食次数令他变得非常憔悴，后来在希特勒恼怒的亲自命令下，才再开始吃正常的饮食次数。
组织空运的代价是巨大的，共损失了266架Ju 52运输机，占苏德战线上总数的三分之一，空运中亦损失了165架He 111轰炸机，其它损失包括42架Ju 86轰炸机、9架Fw 200"秃鹰"、5架He 177轰炸机及1架Ju 290飞机。德国空军亦失去了1,000名经验丰富的轰炸机机组人员。
德国空军如此沉重的损失，令第4航空舰队的4个空运单位被解散。
德国空军的损失
在1942年11月24日至1943年1月31日为在斯大林格勒第6集团军进行补给而损失及从损伤中修复的飞机数字：
飞机损失数字飞机型号
269 Ju 52运输机
169 He 111轰炸机
42 Ju 86轰炸机
9 Fw 200侦察机
5 He 177轰炸机
1 Ju 290运输机
共495架飞机 ，相等于5个飞行中队及超过1个航空军
这些损失相等于参加部队百分之五十的兵力，此外，空中补给已经因训练计划而停止和德国空军在战争中其他战区的出击架次已大大减少以节省燃料使用在斯大林格勒。
苏联部队为集中他们在斯大林格勒周围的部队及开始进行激烈的战斗以缩小包围圈。12月12日发动的冬季风暴行动是一次德军尝试从南方救援被围的部队的行动，在12月23日被苏军成功地瓦解了。恶劣的俄罗斯冬季的影响浮现，伏尔加河河面结冰，令苏军更容易进行补给，被围的德军迅速的消耗了取暖燃料和医疗用品，数千士兵因冻伤、营养不良和疾病而死去。
12月16日，苏军实施第二次进攻，即土星行动，这行动是尝试突破轴心国在顿河的防线及攻占顿河畔罗斯托夫，如果成功，这一攻势将围困在高加索地区的其余南方集团军群，即整个在俄罗斯德国军队的三分之一，德军建立了机动防御以小量单位防守城镇直至支援的装甲部队到达。
15个师的苏军联在最少100辆坦克的支援下从马蒙的桥头堡出发，攻击意大利的科塞里亚及拉文纳师，虽然处于1对9的劣势，意大利军一直抵抗至12月19日才因驻苏意大利军总司令部下令下才撤走。而苏军未曾接近顿河畔罗斯托夫，但战事却迫使冯·曼施坦因从高加索撤出A集团军群及重建由斯大林格勒向西延伸长达250公里的战线。而塔特辛斯卡亚的突击行动亦导致德国空军损失了数量可观的运输机。
第6集团军现在已没有希望获得任何的援助，在斯大林格勒的德军没有被告知这一点，相反，并继续认为增援正在途中。一些德军军官要求保卢斯违抗希特勒的命令，不再坚守及尝试突破在斯大林格勒的包围圈，保卢斯拒绝，因为他憎恶不服从命令的想法。
而且，尽管在头几个星期利用机械化部队实施突围是有可能，但第6集团军现在缺乏汽油及德军士兵在恶劣的俄罗斯冬季下徒步突破苏军战线将是非常困难的。
在包围圈中的德军从斯大林格勒的郊外住宅区撤入市内。于1月16日在皮托尼克及1月25日或1月21日晚至1月22日在古姆拉克两个飞机场的失陷，导致德空运补给及撤出伤兵的行动终结。3个也是最后1个可使用的跑道是在斯大林格勒飞行学校，在这里最后1次降落及失陷是在1月22日晚上至1月23日，在1月23日拂晓后，除空投弹药和食物外再没有更多关于起降的报导直到战役结束。
德军现在不但陷于饥饿中，而且缺乏弹药。但是他们继续顽抗，部分原因是因为他们认为苏军将处死任何投降的人，特别是所谓的志愿助理人员，他们是协助德军作战的苏联公民，他们在被俘时已经对自己的命运不抱任何幻想。
苏军最初对被围的德军人数感到意外，因此对包围部队实施增援。血腥的城市战在斯大林格勒再次展开，但这一次是德军被迫向伏尔加河岸边，他们在工厂区建立防御工事及苏军几乎遇到他们在1个多月自己做出，同样咬牙切指般凶猛的抵抗，德军在窗口上使用一项简单的固定导线网保护自己免受手榴弹攻击，苏军的回应是将手榴弹固定在鱼勾上使手榴弹被抛出时勾在导线网上。
德军现在于城内没有可使用的坦克，这些坦克现在被当作固定大炮使用以发挥最大效用，苏军没有在这些地区使用坦克，因为废墟般的市区影响它们的机动性。1名苏军特使在1月24日向保卢斯提出优厚的投降条款：如果他在24小时内投降，他将得到苏军提出保障所有战俘的安全、对所有伤病员作出医治、所有战俘均可保留个人物品、提供正常的口粮及在战争结束后遣返他们希望到达任何国家的保证——但是保卢斯，因希特勒“不得投降”的命令，而没有回应，直接导致第6集团军的毁灭。
1943年1月30日，是希特勒获得权力10周年纪念，希特勒希望保卢斯会战斗到死或自杀，所以他晋升保卢斯为德国陆军元帅，因为德国历史上没有任何元帅成为战俘，但是当苏军于翌日接近他设在已成废墟的百货商场内的司令部时，保卢斯投降，在斯大林格勒北部剩下的轴心国军队于1943年2月2日投降；91,000名劳累、染病及饥饿的士兵被俘虏，包括3,000名罗马尼亚士兵，他们来自罗马尼亚第20步兵师、第1骑兵师及沃伊上校支队。
令苏军惊喜及纳粹德国失望的是，俘虏中包括22名将军，希特勒对他的将军们极为愤怒地说道：“保卢斯本来可以摆脱所有的痛苦并保有不朽的荣誉，但他宁愿到莫斯科去！”
直至1943年1月底，德国传媒都不公布灾难的任何消息，虽然正面的媒体报导已经在数星期前终止。斯大林格勒标志着纳粹德国政府首次承认其武装力量在战争中失败；这不是德国军事第一次遭到重大挫折，但在斯大林格勒的惨败在规模上以至是战略意义上均是德国历史上从未有过和无与伦比的。1月31日，德国国家电台正常的广播节目被以播放由安东·布鲁克纳所作忧郁慢版的第7交响曲代替，之后再宣布在斯大林格勒战败的消息。
1943年2月18日，纳粹德国宣传部长约瑟夫·戈培尔在柏林发表其著名的体育宫讲话，是德国首次有领导人承认，德国面临了前所未有的重大危机，并且鼓励德国人接受总体战的理念，动员全国人口的所有资源及力量战斗到底。
根据德国纪录片“斯大林格勒”指出，超过11,064名士兵在1943年1月31日正式投降时拒绝放下武器投降，大概他们认为因战斗而阵亡是优于在苏军集中营缓慢地死去。他们躲藏在地下室和下水道继续抵制，但在1943年3月初，剩余的小型部队和孤立的包围圈内的部队亦投降。根据前苏联的情报文件中显示，在这时期共有2,418人被打死及8,646人被俘。
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