苏军统帅部在防御阶段就制订了反攻计划，其企图是：从谢拉菲莫维奇、克列茨卡亚两地域的顿河登陆场和从斯大林格勒以南的萨尔帕湖至巴尔曼察克湖地域分别实施突击，粉碎德军各突击集团两翼的掩护军队，并沿卡拉奇、苏维埃茨基中心方向开展进攻，围歼直接在斯大林格勒附近作战的德军主力。反攻开始前，苏军在斯大林格勒方向展开的兵力有西南方面军（近卫第1集团军、第5坦克集团军、第21集团军、空军第17集团军，司令为瓦图京中将）、顿河方面军（第65、第24、第66集团军，空军第16集团军）和斯大林格勒方面军（第62、第64、第57、第51、第28集团军，空军第8集团军），总计110.6万人、火炮和迫击炮15500门、坦克和自行火炮1463辆、作战飞机1350架。
苏军当面之敌是德军“B”集团军群（司令为魏克斯元帅）所属罗马尼亚第3集团军、德军第6集团军和第4装甲集团军、罗马尼亚第4集团军，总计101.1万人、火炮和迫击10290门、坦克和强击火炮675辆、作战飞机1216架。双方兵力对比，苏军人员比德军多10%，火炮和迫击炮多50%，坦克和自行火炮多1.2倍，作战飞机多10%。
11月19日，西南方面军及顿河方面军之第65集团军从谢拉菲莫维奇和克列茨卡亚地域实施突击，揭开反攻序幕。日落之前，西南方面军前进25~35千米；第65集团军因遭敌猛烈抵抗，仅前进3~5千米。20日，斯大林格勒方面军第57、第51集团军及第64集团军左翼各兵团从萨尔帕湖至巴尔曼察克湖地域开始反攻，突破德军防御，保障快速兵团进入突破口。上述两个方面军的坦克和机械化部队向卡拉奇、苏维埃茨基方向迅猛开进，并在拉斯波平斯卡亚地域合围罗马尼亚第3集团军一部（23日投降）；近卫第1集团军、第5坦克集团军、第51集团军则向西南面和南面发展反攻，对整个德军斯大林格勒集团构成合围的对外正面。23日，西南方面军和斯大林格勒方面军的快速兵团在卡拉奇、苏维埃茨基、马里诺夫卡地域会师，合围德军第6集团军全部和第4装甲集团军一部共22个师，另160多个独立部队，总计33万人。苏军步兵兵团到达后构成了绵亘的合围对内正面。30日前，苏军压缩合围圈，但由于兵力不足，未能从行进间分割和歼灭德军集团。与此同时，向西南和南面进攻的苏军沿克里瓦亚河、奇尔河、顿河、科捷利尼科夫斯基镇以北一线构成了500余千米的合围对外正面。
12月12日，德军统帅部集中第57装甲军另4个步兵师和2个骑兵师从科捷利尼科夫斯基镇地域实施突击，以解救其被围军队。苏军随即发起科捷利尼科夫斯基战役（12月12~30日），将这股援军全部击溃。顿河中游的苏军为发展反攻，于16日发起顿河中游战役，歼灭5个意大利师另3个旅，击溃5个罗马尼亚师和1个德军师，重创德军4个步兵师和2个装甲师，迫使德军统帅部最后放弃解救被围集团的企图。至12月底前，沃罗涅日方面军左翼、西南方面军和斯大林格勒方面军在合围对外正面击溃了驰援之敌，并将其残部击退150~200千米，从而为歼灭被围于斯大林格勒附近的德军创造了有利条件。
1943年1月10日，顿河方面军（辖第66、第24、第65、第21、第57、第64、第62集团军，空军第16集团军）经猛烈炮火准备和航空火力准备后转入进攻，开始歼灭被围德军。第65集团军从西面向斯大林格勒方向实施主要突击。炮兵在苏德战争中首次以徐进弹幕射击支援步兵和坦克冲击。12日，苏军逼近德军位于罗索什卡河的第二防御地带。为突破该地带，第65集团军转移到第21集团军地带。方面军各兵团于15日重新开始进攻，17日前到达沃罗波诺沃、大罗索什卡一线，遇到德军顽强抵抗。经22~25日的激烈战斗，苏军粉碎德军在该地的抵抗。26日晚，第21集团军在马马耶夫岗西北坡与从斯大林格勒迎面进攻的第62集团军会师。德军集团被分割成南北两部分。31日，德军第6集团军南集群停止抵抗，保卢斯被俘。
纪念斯大林格勒战役的雕塑“祖国母亲在召唤”无论从什么角度看，斯大林格勒战役都是二战中甚至人类战争史上最为惨烈的战役之一。整个战役持续199天。由于战役规模太大，伤亡者人数始终无法得到准确统计。在战役最后阶段，德军仍然对苏军造成了沉重的打击，同时，苏军也几乎消灭了德军的精锐之师第6军团的全部和第4装甲军团部分。许多学者估计轴心国军队在这场战役中共伤亡60万人，其中包括：30万德国军队，15万罗马尼亚军队，7万意大利军队，5万匈牙利军队和5万左右的苏联投降部队。德军伤亡人数中阵亡和俘获的比例非常之高（96000人左右被俘）。斯大林格勒会战后，德军完全丧失了苏德战场的战略主动权。同时，苏联也付出了沉重的代价，苏军具体伤亡人数为:474871人死亡，974734人受伤。在德军攻入城区的短短一星期内，超过4万苏联市民被杀，而在整个战役中牺牲的平民人数没有准确的统计，但可以说远远超过这个数字。
知识点
莫斯科保卫战
莫斯科保卫战是苏军于1941年9月30日～1942年4月20日为保卫莫斯科而进行的一系列防御战役和进攻战役。在莫斯科会战中，德军总兵力为78个师，180万人，各种火炮1.4万门，坦克1700辆，飞机1390架。苏军决心保卫莫斯科，集中了全部作战兵力的30％以上。计3个方面军共有95个兵团，总兵力125万人，各种火炮7600门，坦克990辆，飞机677架。在斯大林的领导下，沉着应战，以纵深梯次配置的防御工事，防止德军推进，最终取得了莫斯科会战的胜利，宣告了希特勒闪击战的破产。此役不仅改变了苏德战场的形势，而且发展了苏联军事学术。诺曼