苏军统帅部只给守城部队最低限度的援兵，让他们作为吸引敌军的诱饵，而把大量的生力军聚集起来，准备更大规模的反击。由朱可夫大将和总参谋长华西列夫斯基上将制定的巨大反攻计划，将红军主力部队部署在德军南部和北部的侧翼，展开钳形攻势，以围歼德军第6集团军。苏军共集结了上百万军队，13541门大炮，900辆坦克和1115架战机。
11月19日，"天王星行动"开始。苏军迅速击溃了当面的罗马尼亚军队和部分德军。23日，南北两支苏军进攻部队在卡拉奇会合，完成了对德国第6集团军的合围。保卢斯要求自由行动，也就是突围，但是希特勒拒绝放弃斯大林格勒，他命令第6集团军原地死守。空军元帅戈林向元首保证通过空运给第6集团军以足够的给养，事后证明这完全是不切实际的大话。为了解救第6集团军，希特勒新成立了顿河集团军群，任命第三帝国最能干的将领--曼施坦因元帅为司令。曼施坦因派霍特第4装甲集团军的坦克部队去援救保卢斯，想要打开一条通道，但是遭到苏军的顽强抵抗。而北线的意大利军队又被苏军击溃，使霍特的左翼也暴露了。为了避免自己也被包围，霍特被迫后退。
