对于苏联的反攻计划，德军方面是毫无察觉，虽然因为一些由友好的盟友中国人提供的一些适合攻坚的便携式武器，比原本历史上的处境有了不小的改观，但是总体上来说德军的战略态势非常的不乐观，战线拉得太长，相对与德军苏联倒是因祸得福，因为展现缩短使得兵力能够集中，暂时度过了最为艰难的时候。
在德军毫无察觉的情况下，1942年11月19日，苏联红军开始实施天王星行动。图瓦京的西南方面军和罗科索夫斯基的顿河的方面军在纷飞的大雪中发起了反攻，瓦杜丁中将指挥的主攻部队包括整整3个集团军（近卫第1集团军，第5坦克集团军和第21集团军），一共由18个步兵师，8个坦克旅，2个摩托旅，6个骑兵师和1个反坦克旅组成，并得到空军第2，第17集团军支援。负责防卫德军第6集团军侧翼安全的罗马尼亚第3集团军，由于在数量上处于绝对劣势并且缺乏精良装备，虽然罗马尼亚人的战斗精神令人钦佩，最起码比他们的邻居意大利人要好很多。但是绝对的劣势使得仅仅在战斗发起一天之内罗马利亚第3集团军的阵地便被苏军突破。
顿河方面军实施两个辅助突击，以第65集团军从克列茨卡亚以东地区向东南突击，以第24集团军从卡恰林斯卡亚地区沿顿河左岸向韦尔佳奇方向向南突击，割裂顿河小弯曲部德军与斯大林格勒德军的联系。第66集团军在斯大林格勒以北地区原地防御。在发起进攻之时，顿河方面军得到空军第16集团军支援。
11月20日，叶廖缅科的斯大林格勒方面军第51、57、64集团军也在南部转入反攻，突破了防卫该地区的罗马利亚第4集团军的防线，主要由骑兵组成的罗马尼亚人在力量绝对悬殊的情况再次毫无疑问的被苏联军队迅速被歼灭。此后苏军迅速向北直趋卡拉奇。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，从而完成了对斯大林格勒的包围。至30日，苏军3个方面军将德第6集团军的5个军22个师，罗马尼亚和意大利部队以及部分克罗地亚军队共约27万人合围在斯大林格勒1500平方公里的地域内，第6集团军只有约5万人的部队被分割在包围圈之外。
苏联的突然反攻让德国方面大为吃惊，出现了短暂的混乱，但是最终严谨的德国总参谋部还是迅速了拿出了应对措施。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。
然而，空军司令戈林元帅却向希特勒保证说，他可以保证空军有能力通过“空中桥梁”为第6集团军的空中补给，就像上次伟大的戈林元帅向希特勒保证它能靠空军攻占敦刻尔克，政府英国一样。事实证明德国空军根本没有提供如此大规模部队的供给的运输能力，其每天300吨的运输上限也无法满足每天700吨的需求。但希特勒并非不知道，可是为了他的荣誉不会败在卑劣的斯拉夫人手下，他仍然支持戈林的计划，希特勒遂下令保卢斯坚守阵地，第6集团军必须留在斯大林格勒，并命令他这个集团军今后改称“斯大林堡垒”集团军。由于恶劣天气和苏军防空火力，空投计划很快就遭受失败。据统计，德军只得到10%左右的所需物资，第6集团军渐渐感受到在北方处于德军包围下的列宁格勒的守军和居民的那种饥饿的威胁。另一面，苏军在不断加强对斯大林格勒的包围圈，并开始缩小包围圈的行动。
11月21日，为了挽救第六集团军和即将可能的失败，希特勒下令将曼施泰因元帅的第11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6集团军、霍特第4装甲集团军和罗马利亚第3、第4集团军交与他指挥。希特勒在命令中指示：“顿河集团军群当前的任务，就是使敌军的攻势停顿，并夺回原已失去的阵地。”曼施泰因认为，德军唯一成功的机会在于第6集团军从斯大林格勒向西南突围，霍特第4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。但是这个理性的建议再次遭到了固执甚至有些神经的希特勒的拒绝，11月30日，希特勒在一次公开演说中表示决不会从斯大林格勒撤退，并且再次强调被围困的部队决不能投降，而曼施泰因必须杀开一条血路，打到斯大林格勒。
在希特勒的强硬的要求下，万般无奈之下曼施泰因元帅怀着沉重的心情，在12月12日，发起了代号为“冬季风暴”的反攻。德军以霍特第4装甲集团军为先导，于12月16日突破了苏军第51集团军在阿克赛河上的防线。至12月19日，第4装甲集团军所属的第57装甲军已突进到离南面包围圈30英里以内的地方。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，来一次将在外君命有所不受。下令保卢斯立即向南突围与第4装甲集团军会合。然而保卢斯这个在刚开始进攻斯大林格勒时试图独自抢功失败的将领，这个时候还在打着自己的小算盘，以自己在没有接到希特勒的直接命令之前，没有突围的意图，不过他当然不能这样说，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，苏军发动强大反击将霍特第4装甲集团军击退150～200公里，终于使其退回了原来的阵地，迫使德军统帅部最后放弃解救被围集团的企图。曼施泰因的“冬季风暴”宣告失败。 当时温度已降到零下45摄氏度。伏尔加河面的冰层逐渐变厚，因此在没有德国军队的地面和空中威胁的情况下，苏军可以更加便利地补给己方部队。而包围圈中的德第6集团军的空运补给越来越少，平均每天不到100吨。德第6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，每天都有数千名士兵死于饥饿、严寒和营养失调。
在这种情况下，一些军官试图说服保卢斯不顾希特勒的命令而迅速突围。但是谨慎保卢斯害怕背上违抗军令的罪名，从而丢掉自己的乌纱帽，再加上作为统帅他的给养一向充足，友因为严寒和苏联的打击而窝在自己的地下掩体内“运筹帷幄”。使得他对前线士兵的惨状了解不多，或者说是不想多了解，因此坚持按兵不动。12月29日，在手下军官们的强烈要求下，保卢斯派第14军军长胡比中将飞出包围圈去晋见希特勒，把第6集团军的情况当面向元首汇报。这个时候希特勒的口气已经松动，惨痛的现实让希特勒感觉到自己的第六集团军这次可能真的危险了。但强雷的自尊让希特勒还是命令第6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，苏联红军发起了又一轮攻势，代号为“木星行动”，试图突破顿河地区的意大利军防线，并攻取罗斯托夫。如果这次行动成功，德军南部集团军的余部将被完全围困在高加索地区。不过在严寒之下，一项有面条军队之城的意大利军队总算没有在战场上烤火，而是选择了抵抗。不过在意大利若抵抗的口号中可以看出他们不是为了军人的荣誉。因为在漂亮的反击战中意大利喊出的是：“不去西伯利亚劳改营，一切为了活命！”
斯大林大清洗的威力和糟糕的俘虏待遇在这一刻显现除了巨大的威力就是一项逢战必败的意大利人都前所未有的神勇了。相对于他们在北非军队的糟糕表现，诸如自己的军队把自家的元帅从空中揍了下来，并当成战功报上取得黑色战场幽默。以为在战争来临之前突然感到饥俄而被英军一枪不发全体俘虏的糗事。在苏联的意大利军队算是超常规发挥了。这样发挥的结果就是苏军始终未能接近罗斯托夫，这算是战场上的一个亮点，却是由意大利创造的。不过这次行动还是迫使德军与斯大林格勒包围圈内的德军相隔250公里以上的距离。在事实上，第6集团军已经完全失去了增援。