至11月初，德军始终未能完全占领斯大林格勒。眼看天气又要冷下来，希特勒要求几乎没有多少越冬物资储备的保卢斯在冬天来临之前拿下斯大林格勒。11月11日，保卢斯在斯大林格勒城区内，向苏军据守的阵地发动了最后一次大规模进攻。德军以5个步兵师、2个装甲师和2个工兵营在宽5公里的正面上发起强攻。战斗队形高度密集。一天之内，苏德两军为争夺每寸土地、每一座房屋，都进行了异常激烈的战斗，双方伤亡惨重。德军在预备队的支援下，占领了“街垒”工厂，向前推进了300～400米，进至伏尔加河岸。但此时的德军部队已疲惫不堪，保卢斯被迫于次日停止了进攻，修整部队。苏第六十二集团军又一次被分割成为三部分，仍坚守阵地牵制着德军。苏军就是这样坚守着，直到苏军转入反攻。
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的反攻计划，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，突破罗马尼亚第三集团军防御，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，突破罗马尼亚第四集团军防御，与西南方面军在卡拉奇会师，完成对德第六集团军的合围；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：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六集团军侧翼安全的罗马利亚第三集团军的阵地，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，突破了罗马尼亚第四集团军的防线，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，从而切断了德第六集团军的后方交通线。至30日，苏军3个方面军将德第六集团军的第四、第八、第十一、第五十一步兵军和第十四装甲军计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，他可以保证第六集团军的空中补给，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十一集团军扩建为顿河集团军群，由曼施泰因元帅任司令，并把保卢斯第六集团军、霍特第四装甲集团军和罗马利亚第三、第四集团军交与他指挥。希特勒在下达的命令中指出，顿河集团军群当前的任务，就是使苏军的攻势停顿，并夺回德军原已失去的阵地。这实际上是一个不可能完成的任务。曼施泰因认为，德军惟一成功的机会在于第六集团军从斯大林格勒向西南突围，霍特第四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，第六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。德军以霍特第四装甲集团军为先导，于12月16日突破了苏军第五十一集团军在阿克赛河上的防线。至12月19日，霍特第四装甲集团军所属的第五十七装甲军已突进到离南面包围圈48公里以内的地方。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四装甲集团军会合。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，霍特第四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，保卢斯派第十四军军长胡比中将飞出包围圈去晋见希特勒，把第六集团军的情况当面向元首汇报。但希特勒还是命令第六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。德第六集团军的空运补给越来越少。它每日需700吨的补给量，而戈林实际运到的平均每天不到100吨，1月6日只运来了45吨。德第六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，苏军顿河方面军司令员罗科索夫斯基中将向德第六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六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，第六集团军的空运补给完全中断了。于是，保卢斯向希特勒请求准允他们投降。但他得到的答复是绝对不能投降，希特勒要求第六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。曼施泰因也力劝希特勒批准第六集团军残部投降，因为继续抵抗已经没有意义了。而希特勒向曼施泰因解释不允许投降的原因是：其一，可以使包围圈中的德军分成几个较小的单位，可以抵抗相当长的时间；其二，前苏联人根本不会遵守对第六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：“第六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，苏军第六十四集团军的第三十八摩步旅打到了保卢斯的司令部，第六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六集团军司令部人员投降，第六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2日，在斯大林格勒城北的第十一军残部也投降了。至此，斯大林格勒会战结束。德第六集团军司令保卢斯元帅，步兵第四军军长普费尔中将、第五十一军军长库尔茨巴赫中将、第二九五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。
斯大林格勒会战是第二次世界大战中，前苏联军队与法西斯德国军队及其仆从军进行的一次规模空前的大决战。这次会战从1942年7月17日开始，1943年2月2日结束，历时六个半月。斯大林格勒的会战极其激烈，只有莫斯科会战可与之相提并论。斯大林格勒会战反攻过程中，苏军共歼灭德军第六集团军、第四装甲集团军、罗马尼亚第三和第四集团军及意大利第八集团军。德军共损失32个师和3个旅，另外还有16个师伤亡50％～75％，损失人员80余万、坦克和强击火炮近2000辆、火炮和迫击炮1万余门、作战和运输飞机3000多架，以及汽车7万多辆。苏军把德军从伏尔加河和顿河击退了几百公里。
斯大林格勒战役是德国军队所遭到的最大的一次失败。德军在顿河、伏尔加河、斯大林格勒地域总共损失了约150万人，占其当时在苏德战场作战总兵力的1/4，还有3500辆坦克和强击火炮、1.2万门火炮和迫击炮、约3000架飞机及大量的其他技术兵器。这些兵力兵器的损失对法西斯德国的整个战略地位产生了极大的消极影响并彻底动摇了它的整个战争机器。自此，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。”
在200个日日夜夜的斯大林格勒会战中，前苏联军民充分表现了大无畏的英雄气概，进行艰苦卓绝的顽强作战，共计损失113万人，终于赢得了辉煌的胜利。斯大林格勒会战结束后，从南到北向苏军各个方向的反击作战也频频告捷。列宁格勒、顿河流域、北高加索等地的德军先后败退。
前苏联军民斯大林格勒保卫战的胜利，具有重大而深远的政治和军事意义。
第一，斯大林格勒会战使德军遭到沉重打击，元气大伤。它粉碎了希特勒灭亡前苏联、进而称霸世界的狂妄企图，改变了苏德战场的战略形势，是前苏联卫国战争的重大转折点，也是欧洲战争乃至整个第二次世界大战的一个重要转折点。苏军从此牢牢地掌握了战略主动权，苏德战争的进程开始发生根本转折。
第二，前苏联军民斯大林格勒保卫战的胜利，引发了法西斯集团内部深刻的政治危机和军事危机。面对第二次世界大战爆发以来德军在苏德战场的空前失败，德军士气一落千丈，在德军内部甚至在部分希特勒将领中，对打赢战争的信心产生了严重的动摇。在希特勒大本营里，怨声四起，一些纳粹将军还暗中策划了推翻希特勒的政变。
德国与其伙伴和仆从国的关系显著恶化，这些国家的离心倾向日趋明显，不愿再听命于德国。斯大林格勒会战后，尽管希特勒一再坚持要求增加苏德战场的力量，但仆从国不愿再作出更多的承诺。日本在斯大林格勒会战后，也向德国表示，无法参加对苏作战。意大利、匈牙利和罗马尼亚军队在斯大林格勒的覆灭，从而使这些国家的执政者对希特勒的信心产生严重动摇，他们开始寻求退出战争的方法和道路。
1943年3月26日，墨索里尼在给希特勒的信中，建议同前苏联单独媾和。一些中立国家对德国也越来越持慎重态度。1943年，同德国保持外交关系的国家，从苏德战争前夕的40多个减少至22个。此外还有不少国家正在酝酿与德国断绝关系。
第三，前苏联军民斯大林格勒保卫战的胜利，极大地提高了前苏联的国际地位，扩大了社会主义制度的影响，巩固和扩大了国际反法西斯统一战线，进一步坚定了世界人民共同打败法西斯集团的信心，促进了世界反法西斯斗争的新高潮。l942年至1943年，前苏联同澳大利亚、古巴、埃及、哥伦比亚、埃塞俄比亚等许多国家建立了外交关系，还同卢森堡、墨西哥和乌拉圭先后恢复了外交关系。美、英国家的政治家，看到前苏联展示出来的强大威力及其战略、战术的明显提高，开始认真考虑和研究在欧洲开辟第二战场的问题。前苏联军民斯大林格勒保卫战的胜利，促进了在反法西斯同盟国团结合作道路上具有重要意义的苏、美、英三国首脑第一次会议——德黑兰会议的召开。
