К концу оборонительного периода Сталинградской битвы 62-я армия удерживала район севернее Тракторного завода, завод «Баррикады» и северо-восточные кварталы центра города, 64-я армия обороняла подступы к его южной части. Общее наступление немецких войск было остановлено. 10 ноября 1942 года они перешли к обороне на всем южном крыле советско-германского фронта за исключением участков в районах Сталинграда, Нальчика и Туапсе. Положение немецких войск осложнилось. Фронт групп армий А и Б был растянут на 2300 км, фланги ударных группировок не были прикрыты должным образом. Немецкое командование считало, что после многомесячных тяжелых боев Красная армия не в состоянии провести крупное наступление. На зиму 1942—1943 годов немецкое командование планировало удержаться на занимаемых рубежах до весны 1943 года, а затем снова перейти в наступление.

Ставка Верховного Главнокомандования и Генеральный штаб с сентября1942 года приступили к разработке плана контрнаступления. 13 ноября план стратегического контрнаступления под кодовым названием «Уран» был утвержден Ставкой под председательством И. В. Сталина, в Сталинград. План заключался в следующем: Юго-Западный фронт (командующий — Н. Ф. Ватутин; 1-я гвардейская, 5-я танковая, 21-я, 2-я воздушная и 17-я воздушная армии) имел задачу нанести глубокие удары с плацдармов на правом берегу Дона из районов Серафимовича и Клетской (глубина наступления — около 120 км); ударная группировка Сталинградского фронта (64-я, 57-я, 51-я и 8-я воздушная армии) наступала из района Сарпинских озёр на глубину 100 км. Ударные группировки обоих фронтов должны были встретиться в районе Калач-Советского и окружить основные силы противника под Сталинградом. Одновременно частью сил эти же фронты обеспечивали создание внешнего фронта окружения. Донской фронт в составе 65-й, 24-й, 66-й и 16 воздушной армий наносил два вспомогательных удара — один из района Клетской на юго-восток, а другой из района Качалинского вдоль левого берега Дона на юг. Планом предусматривалось: главные удары направить против наиболее уязвимых участков обороны противника, во фланг и тыл его наиболее боеспособным соединениям; ударным группировкам использовать местность, выгодную для наступающих; при в целом равном соотношении сил на участках прорыва за счёт ослабления второстепенных участков создать 2.8 — 3.2 — кратное превосходство в силах. За счёт глубочайшей секретности разработки плана и достигнутой огромной скрытности сосредоточения сил была обеспечена стратегическая внезапность наступления.

Начало наступления
Наступление войск Юго — Западного и правого крыла Донского фронтов началось утром 19 ноября после мощной артподготовки. Войска 5-й танковой армий прорвали оборону 3-й румынской армии. Немецкие войска сильной контратакой попытались остановить советские войска, но были разгромлены введёнными в сражение 1-м и 26-м танковыми корпусами, передовые части которых вышли в оперативную глубину, продвигаясь в район Калача. 20 ноября в наступление перешла ударная группировка Сталинградского фронта. Утром 23 ноября передовые части 26-го танкового корпуса овладели Калачом. 23 ноября войска 4-го танкового корпуса (А. Г. Кравченко) Юго-Западного фронта и 4-го механизированного корпуса (В. Т. Вольский) Сталинградского фронта встретились в районе хутора Советский, замкнув кольцо окружения сталинградской группировки противника в междуречье Волги и Дона. В окружении оказались 6-я и основные силы 4-й танковой армий — 22 дивизии и 160 отдельных частей общей численностью 330 тыс. человек. К этому же времени была создана большая часть внешнего фронта окружения, удаление которого от внутреннего составило 40-100 км.

24 ноября войска Юго-Западного фронта, разгромив окруженные в районе Распопинской румынские войска, взяли 30 тысяч пленных и много техники. 24 — 30 ноября войска Сталинградского и Донского фронтов, ведя ожесточённые бои с окруженными войсками врага, сократили занимаемую им площадь вдвое, зажав его на территории 70-80 км с запада на восток и 30-40 км с севера на юг.

В первой половине декабря действия этих фронтов по ликвидации окруженного врага развивались медленно, так как вследствие сокращения фронта в котле он уплотнил свои боевые порядки и организовал оборону на оборудованных позициях, занимаемых Красной армией летом 1942 года. Существенную роль в замедлении наступления сыграла крупная (более чем 3-х кратная) недооценка численности окружаемых немецких войск.
24 ноября Гитлер, отклонив предложение командующего 6-й армией Ф.Паулюса прорываться в юго-восточном направлении, приказал удерживать Сталинград в ожидании помощи извне. Немецкие войска, действовавшие против внешнего фронта окружения, в конце ноября были объединены в группу армий «Дон» (командующий генерал — фельдмаршал Э.Манштейн), в которую входила и окруженная группировка.

Развитие событий
В районах Котельниковского и Тормосина вермахтом создавались две ударные группировки. 12 декабря ударная группировка «Гот», по советским данным, имевшая 9 пехотных и 4 танковые дивизии, 125 тыс. чел., 650 танков, что, однако, не подтверждается немецкими источниками, перешла в наступление от Котельниковского вдоль железной дороги на Сталинград, не дожидаясь сосредоточения Тормосинской группировки с целью деблокирования окруженных войск. Используя, по советской версии, не подтверждающейся немецкими источниками, значительное превосходство в силах перед 51-й армией, враг оттеснил её за р. Аксай, где 15 декабря его наступление было остановлено. 19 декабря противник возобновил наступление, но был остановлен войсками 2-й Гвардейской и 51-й армий на р. Мышкова, в 40 км от окруженных войск. 16 декабря началось наступление войск Юго-Западного фронта на Морозовск и Кантемировку в целях разгрома противника в районе Среднего Дона и выхода в тыл Тормосинской группировки. В течение трехдневных ожесточенных боёв оборона врага была прорвана на пяти направлениях. К 31 декабря были полностью разгромлены 8-я итальянская армия и немецкая оперативная группа «Холлидт». 2-я Гвардейская армия в ходе контрнаступления 24-31 декабря нанесла полное поражение группе «Гот», понесшей большие потери, в том числе 5200 пленными и отбросила её к Зимовникам, отодвинув внешний фронт окружения на 200—250 км 57-я, 64-я и 62-я армии Сталинградского фронта были переданы в состав Донского фронта для ликвидации окруженных войск. Сталинградский фронт 1 января 1943 года был переименован в Южный и получил задачу наступать на Ростовском направлении. К началу января положение окруженных войск ухудшилось. Занимаемое ими пространство простреливалось артиллерией, материальные запасы истощались/

Ликвидация немецкого сопротивления
8 января 1943 года советское командование предъявило командованию окружённых войск ультиматум о капитуляции, но оно по приказу Гитлера отклонило его. 10 января началась ликвидация Сталинградского котла силами Донского фронта (операция «Кольцо»). В это время численность окружённых войск ещё составляла ок. 250 тыс., численность войск Донского фронта составляла 212 тыс. Враг упорно сопротивлялся, но советские войска продвигались вперёд и 26 января рассекли группировку на две части — южную в центре города и северную в районе тракторного завода и завода «Баррикады». 31 января была ликвидирована южная группа, её остатки во главе с Паулюсом сдались в плен. 2 февраля было покончено с северной группой. На этом Сталинградская битва завершилась.

Итоги операции
В ходе Сталинградской наступательной операции были уничтожены две немецкие, разгромлены две румынские и одна итальянская армии. Уничтожено 32 дивизии и 3 бригады, разгромлены 16 дивизий. Враг потерял более 800 тысяч человек, потери советских войск составили 485 тыс. человек, в том числе безвозвратные — 155 тысяч. Условия для проведения выдающейся операции создавались советскими войсками в ходе Сталинградской оборонительной операции начиная с сентября 1942 г. «До Сталинградской битвы история не знала сражения, когда в окружение попала и была бы полностью разгромлена столь крупная группировка войск. Разгром врага на Волге ознаменовал начало коренного перелома в ходе Великой Отечественной войны и Второй мировой войны в целом, началось изгнание вражеских войск с советской территории.» - Г. К. Жуков. Следует отметить, что, конечно, говорить о полном разгроме окруженной группировки сложно — ведь значительная её часть была эвакуирована по воздуху. Окруженная группировка, не предпринимавшая попыток прорыва внутреннего фронта окружения была уничтожена полностью, вплоть до последнего подразделения. Значительное количество раненных (из дневника Ф. Паулюса — 42 тыс.) было эвакуировано из котла воздушным транспортом, однако Паулюс не сообщает, скольким из раненных удалось достичь «большой земли». Следует, однако, отметить, что само слово «эвакуация» подразумевает вывоз в тыл, то есть если Паулюс верно употребил это слово, то он имел в виду, что все 42 тыс. человек достигло «большой земли».