认识到德国军队正准备在冬季的进攻行动，并将大部分兵力调到东部战线南面的其它他区，苏联最高统帅部决定进行了一系列的进攻行动。
根据战后的历史，这时候是战争关键性的时期，苏德战争第二阶段（1942年11月19日- 1943年12月31日）开始了，1942年-1943年的冬季攻势（1942年11月19日 - 1943年3月3日）随着这些攻势行动而展开，苏联红军在数条战线上共有15个集团军参与行动。
苏军战斗序列：
西南方面军、顿河方面军、斯大林格勒方面军
西南方面军第1近卫集团军、第21、第5坦克、第17航空集团军及第25坦克军
顿河方面军第24、第65、第66、第16航空集团军
斯大林格勒方面军第28、第51、第57、第62、第64、第8航空集团军
科捷利尼科沃攻势行动1942年12月12日 - 1942年12月31日
斯大林格勒方面军第2近卫集团军、第5突击、第51、第8航空集团军
顿河中游攻势行动（小土星行动）1942年12月16日 - 1942年12月30日
西南方面军
顿河方面军（原斯大林格勒方面军）
顿河方面军第21、第s24、第57、第62、第64、第65、第66、第16航空集团军
轴心国战斗序列：
纳粹德国：
陆军
第6集团军
第4军
第8军
第11军
第14军
第51军
空军
第6高射炮师
第3战斗机联队
第1炮兵师
第20步兵师
克罗地亚独立国
第369加强步兵团
德军对斯大林格勒采取的进攻因红军的顽强抵抗和当地的天气情况而停止，苏联的在1942年11月19日—11月22日的天王星行动的反攻计划是使用欺骗性的措施，最终围困和摧毁在市内的第6集团军和其它轴心国部队，成为第二次世界大战中德军最大规模的败战。
在围困期间，德军和负责保护B集团军群侧翼的同盟之意大利、匈牙利和罗马尼亚军队已敦促其总部提供增援，匈牙利第2集团军，包括很多缺乏装备及训练的单位，被授与防守位于斯大林格勒以北在意大利军与沃罗涅日之间长达200公里之防线，这导致了防线过于薄弱，有些地区中每1–2公里才有一个单独的排防守，而苏军在河之西岸有数个桥头堡及对B集团军群带来严重威胁。
同样，在斯大林格勒以南地区，科捷利尼科沃西南只由罗马尼亚第7军及一个单独的德军第16摩托化步兵师防守。
但是，希特勒非常聚焦于城市本身以致向侧翼增援的要求被拒绝，国防军陆军总司令部首长弗朗兹·哈尔德表示关注希特勒在城市的当前任务，并指出如果薄弱的德军两翼没有纠正，'将是一场灾难'，希特勒对哈尔德说：“斯大林格勒将一定被占领及被削弱的两翼将由国家社会主义热情者防守，显然我对你不能这样指望。”在10月中他被库尔特·蔡茨勒代替。
秋季苏联将领亚历山大·华西列夫斯基及格奥尔吉·朱可夫负责制订在斯大林格勒地区的战略计划，将大量苏军集中至该城南北面的空旷地带。
德军之北翼特别危险原因是由相对于德军来说缺乏训练、装备及士气的意大利、匈牙利及罗马尼亚军负责守卫，这个弱点被苏军发现，因而尽量攻击非德国部队，正如英军在北非攻击意大利军而非德军一样。该计划是在城市内阻击德军的进攻，然后攻击过度延伸及薄弱的德军侧翼和包围在斯大林格勒内的德军。在准备进攻期间，苏联元帅朱可夫本人到达前线，对于苏联的高级将领来说是十分罕见。行动的代号是天王星，这与进攻中央集团军群的火星行动同时实施，该计划与朱可夫于三年前在诺门罕取得之胜利相似，当时他对日军第23师团发动一个钳形攻势及将其击溃。朱可夫及华西列夫斯基是被授与苏联英雄称号的将军。
11月19日，红军实施天王星行动，由尼古拉·费多罗维奇·瓦图京指挥的苏军进攻部队包括三个足额的集团军，第1近卫集团军、第5坦克集团军及第21集团军，共有18个步兵师、8个坦克旅、2个机械化旅、6个骑兵旅及1个反坦克旅。
这个进攻的准备被罗马尼亚人发现，他们要求增援但被拒绝。防线薄弱、兵员短缺及装备低劣的罗马尼亚第3集团军被击溃。11月20日，第二个苏军攻势（共两个集团军）在斯大林格勒南面实施，以攻击防守该地的罗马尼亚第4集团军。
只是由步兵组成的罗马尼亚军几乎立即崩溃，苏军在一个钳形攻势中向西前进及于两天后的11月22日在卡拉奇附近会师，在斯大林格勒附近围成一个铁环，当时并没有将这一幕拍成电影；后来苏军于有一套宣传影片中重演这一情景，得到全世界的赞誉。
（苏军反攻路线图）
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