由于苏联共产党和政府的坚强领导，后方广大工农和科技人员的忘我劳动，军工生产有了显著增长。1942年下半年，苏联生产73，400门大炮和迫击炮，13，268辆坦克，15，692架飞机，以及数以万计的轻武器。此外，美英也给予苏联一些援助。这就为苏军的反攻创造了物质条件。
大反攻开始时，在斯大林格勒方向上，德军及其仆从国军队组成的“B”集团军群共有80个师，3个旅，总计100万人，拥有大炮和迫击炮10，290门，坦克675辆，飞机1，216架。盘踞在斯大林格勒市区和西郊外围一带的是敌军主力——德第六集团军和第四坦克集团军。掩护其南翼的是罗马尼亚第四集团军;掩护其北翼的是罗马尼亚第三集团军、意大利第八集团军、匈牙利第二集团军以及德国第二集团军。
在斯大林格勒方向上，苏军的三个方面军①共有110万人，15，500门火炮，1，463辆坦克和强击火炮，1，350架作战飞机。在兵力和武器对比上，苏军已占优势，士气高昂。
苏军的最后反攻计划是由朱可夫和华西列夫斯基签署、最高统帅斯大林批准的。其主要内容是：西南方面军由顿河右岸谢腊菲莫维奇和克列茨卡亚地域的登陆场实施强有力的深远突击。斯大林格勒方面军由萨尔帕地域进攻。两军的突击集团在卡拉奇、苏维埃斯基地域会合，从而完成对斯大林格勒附近德军主力的合围。然后消灭敌人。到11月17日，反攻的全部准备工作都已完成，而且保密工作做得特好，敌人还茫然无知。
苏军在斯大林格勒的大反攻
根据战略性战役任务的特点，这次战役大致可分为三个小阶段：1)突破防御，粉碎敌军侧翼集团，合围德第六集团军和第四坦克集团军的部分兵力;2)粉碎敌军解围企图，扩大苏军反攻战果;3)最终歼灭被围的德军。
1942年11月19日晨，在斯大林格勒的西北面，苏联西南方面军的两千门大炮开始怒吼。接着，苏军两路分别从谢腊菲莫维奇和克列茨卡亚出发，向罗马尼亚第三集团军阵地冲击。敌军惊慌失措，开始瓦解。22日凌晨，在夜幕掩护下，由当地居民古谢夫作向导，苏军在卡拉奇市西北面占领顿河上一座大桥，大批渡河。经过激战后于23日占领卡拉奇。
11月20日拂晓，斯大林格勒方面军从该市以南发起进攻，突破罗马尼亚第四集团军的防线，向西北迅猛推进，于23日在卡拉奇苏维埃斯基与西南方面军会师。这样便把德国第六集团军全部和第四坦克集团军一部，总共22个师和160多个独立部队包围起来。同时守卫斯大林格勒正北面的顿河方面军，也在顿河—伏尔加河之间发动进攻，打击被围之敌。11月23日，反攻第一阶段顺利完成。
苏军强大而迅猛的攻势使德军统帅部晕头转向。他们持有两种观点：一些人主张第六集团军坚守阵地，但必须向斯大林格勒增援;另一派主张向西撤退，避免覆灭。希特勒采取第一种观点。他急电被围的第六集团军司令鲍留斯死守防线，同时许诺空运作战物资，增派援兵去解围。为此，希特勒迅速建立“顿河”集团军群，其编制包括顿河中游以南直至阿斯特拉罕草原所有的德军，以及被围的德军。此外，希特勒还从德法和苏德战场各地调去几个师。冯·曼施泰因元帅被任命为“顿河”集团军司令，为鲍留斯解围。
曼施泰因迅速建立两个强大的战役集群：一在科捷利尼科夫斯基地区，一在托尔莫辛地区。
12月12日，德军集结大量兵力，从科捷利尼科夫斯基向斯大林格勒进攻，挫败第51集团军的抵抗，进抵阿克赛河，并渡河北上，前出梅什科瓦河，离被围的德军只有35—40公里。
曼施泰因原来打算在这支援军前出梅什科瓦河时，第二战役集群就要从托尔莫辛出击。但在12月16日前线情况急剧变化：苏西南方面军和沃罗涅什方面军左翼从顿河中游发动强大攻势，挥戈东南，直指米列罗沃和莫罗左夫斯克。苏军在奇尔河和顿河摧毁敌军的抵抗，粉碎了意大利第八集团军和罗马尼亚第三集团军，重创德军六个师。
12月24日，苏军进抵莫罗左夫斯克，开始威胁前出梅什科瓦河的德军左翼和后方。为了阻挡西南方面军的进攻，德军把准备用于托尔莫辛集群的好几个师都投入了战斗，12月24日终于顶住了苏军的进攻。
就在这时，根据苏联最高统帅部的命令，第二近卫集团军火速南下，开赴梅什科瓦河。12月19日，该部前出梅什科瓦河，并立即投入战斗。他们和第51集团军协同作战，沉重打击进攻之敌，挡住了德军。
12月24日，第二近卫集团军、第51集团军、第五突击集团军等部队，从梅什科瓦河发动决定性攻势，摧毁德军抵抗，迅猛前进。25日，苏军先头部队到达阿克赛河，德军坦克部队慌忙退到河的南岸。苏军迅速进抵科捷利尼科夫斯基，29日占领该城。科捷利尼科夫斯基战役集群被歼，其残部退往罗斯托夫。这样，苏军包围圈对外正面与被围德军相距约200公里。
这样一来，希特勒的解围计划彻底破产，被围德军已成瓮中之鳖，注定了覆灭的命运。反攻的第二阶段到此完成。
到11月30日，斯大林格勒地区被围敌军所占的面积是，东西为70至80公里，南北为30至40公里。被围军队粮食、弹药奇缺，伤亡与日俱增。德国陆军参谋长察茨勒向希特勒汇报说，被围德军的士兵饥饿沮丧，对最高统帅部失去信心，因此请求批准突围。但希特勒对此无动于衷。
苏军最高统帅部于12月30日下达指令，将歼灭被围德军的任务交给罗科索夫斯基中将指挥的顿河方面军，并把原属斯大林格勒方面军的第62、64、57集团军拨归他指挥。斯大林格勒方面军改称南方方面军，其任务是向罗斯托夫方向展开攻势。
到1943年1月，被围德寇的处境更为狼狈：粮食、弹药供应进一步恶化，伤亡增多。加以严寒袭人，冻死者累累。
苏军最高统帅部从人道主义出发，于1943年1月8日向鲍留斯提出最后通牒，要求其停止无谓的抵抗并投降。希特勒命令他拒绝投降。
1月10日凌晨，苏军用五千门大炮轰击包围圈内的敌人，空军也猛烈轰炸敌阵，然后发动冲击。在苏军凌厉的攻势下，被围敌军全线退缩，六天之内阵地显著缩小。从1月10日到25日，敌人死、伤和被俘者达10万人以上，但仍作垂死挣扎。
1月26日，苏联第21和65集团军从西面、第62集团军从东面同时发动进攻。当晚，第21集团军和62集团军战士在“红十月”工厂住宅区和马马耶夫岗胜利会师，从而把被围德军分割成两部：南部之敌在市中心继续顽抗;北部之敌在“街垒”和拖拉机工厂区挣扎。
正当德国第六集团军在斯大林格勒废墟上苟延残喘时，希特勒在德国还导演了一场令人作呕的丑剧：为了庆祝法西斯上台执政10周年，他授予鲍留斯上将以元帅军衔，同时给被围的117名军官各升一级。然而任何军衔都不能挽救这伙侵略军的覆亡命运。1月31日，南部被围之敌，包括第六集团军司令鲍留斯元帅宣布投降。第二天，北部德军也放下了武器。2月2日，斯大林格勒地区的枪声全部停息。苏军在这里取得了伟大的胜利。
在苏军反攻过程中，敌人最强大的战略集群在斯大林格勒被击溃。仅1943年1月10日至2月2日，苏军就俘敌91，000人，其中有2，500名军官，以一名元帅为首的24名将军。在战场上，苏军收集和掩埋了约14万具敌军尸体。从1942年11月19日至1943年2月2日止，敌军在斯大林格勒地区损失80万人以上，并丢下大量技术兵器和装备。德军有32个师和三个旅全部被歼，16个师遭到重创。
苏军在斯大林格勒的胜利具有重大的意义，在国内外都有深远的影响。
胜利的捷报传遍苏联，它鼓舞后方人民以更高的政治和劳动热情去增加生产，支援前线。它使敌占区人民和游击队员看到了胜利的曙光。它给苏联各个方面军的将士们树立了光辉的范例，使他们增强了必胜的信心。
这次胜利也是苏联军事学术的胜利，是苏军战略、战役学和战术的胜利。
苏军在斯大林格斯的胜利，使苏德战场上的战略主动权完全转入苏军手中，直到最后胜利。它迫使德国最后动员所有的人力物力资源来继续进行战争。
这次胜利的国际意义在于，它使德国国际地位发生动摇，其仆从国面临军事、政治危机。1943年夏天墨索里尼垮台，意大利投降;芬兰和匈牙利的统治集团开始考虑如何退出战争。法西斯侵略集团开始分崩离析。
斯大林格勒的胜利鼓舞了全世界反法西斯人民的斗志，欧洲各国的抗敌斗争风起云涌，抵抗运动进入一个新时期。
这一战役牵制和消灭了轴心国大量的军队，有力地支援了北非的盟军，为英军在阿拉曼的反攻创造了有利的国际条件。西方盟国看到了苏军胜利的前景，因而决定于1944年春天在欧洲开辟第二战场。
所以，苏军在斯大林格勒的胜利是苏联伟大卫国战争的转折点，也是整个第二次世界大战中战略转折的重要标志之一。罗斯福在献给斯大林格勒的颂词中说，斯大林格斯保卫者的“光辉胜利制止了侵略的狂澜，成为同盟国反侵略战争中的转折点。”
① 除原有的斯大林格勒和顿河方面军以外,10月底又组建了西南方面军,司令员是H·Ф·瓦杜丁。
