當德軍從西面和西南面逼臨城區時，固守史達林格勒的蘇軍第六十二、第六十四集團軍與德軍展開了激烈的戰鬥。從9月13日到26日，德軍向市中心的第六十二集團軍各兵團反覆發動衝擊，第六十二集團軍與第六十四集團軍的聯繫被切斷。27日德軍又發動了第二次強攻，開始了爭奪紅十月村的戰鬥和巷戰。28日，史達林格勒方面軍改稱頓河方面軍，東南方面軍改稱史達林格勒方面軍。10月中旬，德軍第三次企084《影響世界的100次戰爭》圖攻占史達林格勒，向拖拉機廠、街壘工廠和紅十月工廠實施了突擊。德軍攻占了拖拉機廠並在2．5公里寬的地段上抵近伏爾加河畔。蘇軍第六十二集團軍的處境極端複雜起來。固守每條街、每幢房屋、每寸土地的戰鬥展開了。此時頓河方面軍為了援助史達林格勒保衛者，在該市以北實施了連續反突擊，第六十四集團軍由南向德軍進攻部隊的翼側實施了反突擊。頓河方面軍和第六十四集團軍的反突擊減輕了第六十二集團軍所受的壓力。11月11日，當蘇軍已充分做好反攻準備時，德軍雖已突入市中七個區中的六個區，但最後一次強攻，仍未能占領整個城市。通過史達林格勒接近地和市區的激戰，德軍的進攻力已消耗殆盡。
蘇軍最高統帥部在防禦戰役過程中就制定了史達林格勒反攻計劃。戰役由西南方面軍、史達林格勒方面軍和頓河方面軍共同實施。粉碎史達林格勒地區之德軍的戰略性進攻戰役由三個階段組成：合圍德軍集團；發展進攻和粉碎德軍解救被圍集團的企圖；殲滅被圍德軍集團。11月19日，經過猛烈的炮火準備，西南方面軍和頓河方面軍發起了進攻，揭開了反攻的序幕。次日，史達林格勒方面軍開始進攻。經過兩天戰鬥，蘇軍各方面軍都突破了德軍防禦，坦克軍和機械化軍得到了向戰役縱深發展進攻的機會。23日，西南方面軍坦克第四軍和史達林格勒方面軍機械化第四軍在蘇維埃農社會合，封閉了在頓河和伏爾加河中間地區對德軍第六集團軍及坦克第四集團軍一部共33萬人的合圍圈。繼而西南方面軍和史達林格勒方面軍一邊逐步壓縮包圍圈，同時建立了合圍的對外正面工事，以保障順利地肅清被圍之敵。
德軍統帥部為了給被圍德軍解圍，建立了&ldo;頓河&rdo;集團軍群。該集團軍群司令官原打算在托爾莫辛和科捷利尼科沃建立兩個突擊集團以解救被圍德軍。但預感到德軍在史達林格勒附近要滅亡的希特勒，催促司令官不等部隊全部集中完畢就發起進攻，於是科捷利尼科沃德軍集團沿通往史達林格勒的鐵路於12月12日向蘇軍發起進攻，但進展緩慢，隨後被迫轉入防禦。24日，蘇軍對德軍科捷利尼科沃集團發起堅決進攻並粉碎了該集團。16日，西南方面軍和配屬部隊發起了進攻，粉碎了頓河中游地域的德軍並進到德軍托爾莫辛集團的後方。德軍統帥部為制止西南方面軍的迅猛突破，被迫耗盡了用於進攻史達林格勒的預備隊。這一進攻迫使德軍最高統帥部最後放棄了解救被包圍於史達林格勒的德軍的企圖。
1943年1月初，壓縮在包圍圈中的德軍態勢急劇惡化，已經沒有任何解決的希望。為了停止流電，蘇軍最高統帥部命令頓河方面軍領導人向德軍第六集團軍發出最後通牒，要德軍根據慣例條件投降，但遭到德軍拒絕。10日，頓河方面軍開始了旨在分割並各個消滅被圍德軍的進攻，德軍被分割成兩部分。31日德軍南集群被消滅，以第六集團軍司令為首的殘部投降。2月2日德軍北集群殘部投降，史達林格勒會戰結束。蘇軍消滅了德軍在蘇德戰場總兵力的四分之一約150萬人。由德軍及僕從軍所組成的最大軍隊集團徹底遭到覆滅。
蘇聯在史達林格勒會戰取得的勝利具有重大的政治、軍事意義。這次勝利，對爭得蘇聯偉大衛國戰爭乃至整個第二次世界大戰的根本轉折作出