面军，司令员为罗科索夫斯基中将；东南方面军改称斯大林格勒方面军，司令员为叶廖缅科上将；近卫第1集团军扩建为西南方面军，司令员图瓦京中将。副最统帅朱可夫大将和总参谋长华西列夫斯基上将奉命秘密拟制反攻计划。

10月份一个月中，斯大林格勒一直行着激烈的巷战。苏军又有6个以上的满员师经伏尔加河斯大林格勒。德军逐屋战斗，从地面和地下的废墟中找路前，所以也被称为“老鼠战争”。这场会战已经变成了一个面问题。对斯大林来说，是决不能让这座以自己名字命名的城市落德军之手的。他亲自下令叶廖缅科上将，要求在任何情况下都要守该城。每一座房屋，只要有苏联军人，哪怕只有一个人，也要成为敌人攻不破的堡垒。而对希特勒来说，斯大林格勒的神价值已超过了其战略价值，非要攻陷它不可。当新任陆军总参谋长蔡茨勒将军向小心地向他指第6集团军北翼漫长的顿河战线面临着危险，建议将第6集团军撤到顿河河曲。希特勒严厉地回答说：“德国士兵到了哪里，就要守到哪里！”

至11月初，德军始终未能完全占领斯大林格勒。看天气又要冷下来，希特勒要求几乎没有多少越冬资储备的保卢斯在冬天来临之前拿下斯大林格勒。11月11日，保卢斯在斯大林格勒城区内，向苏军据守的阵地发动了最后一次大规模攻。德军以5个步兵师、2个装甲师和2个工兵营在宽5公里的正面上发起攻。战斗队形度密集。一天之内，苏德两军为争夺每寸土地、每一座房屋，都行了异常激烈的战斗，双方伤亡惨重。德军虽然在该城南到达了伏尔加河，但队已疲惫不堪，保卢斯被迫于次日停止了攻，修整队。而几天后，苏军就发起了全线大反攻。

苏军最统帅自9月底开始准备大反攻，并向斯大林格勒方向秘密调集了大量兵力。至11月中旬，在斯大林格勒地域的苏军计3个方面军143个师110.6万人，计15500门火炮和迫击炮，1463辆坦克和击火炮，1350架飞机。11月13日，斯大林批准了朱可夫和华西列夫斯基拟制反攻计划，并亲自给这个计划取代号为“乌兰”。该计划规定：西南方面军由图瓦京中将指挥，其任务是从顿河西岸的谢拉莫菲维奇和克利茨卡亚地域桥阵地实施主攻，突破罗利亚第3集团军防御，直顿河东岸的卡拉奇；斯大林格勒方面军由叶廖缅科上将指挥，其任务是从斯大林格勒南面向西北突击，突破罗利亚第4集团军防御，与西南方面军在卡拉奇会师，完成对德第6集团军的合围；顿河方面军由罗科索夫斯基中将指挥，其任务是从斯大林格勒西北面向东南实施辅助突击，掩护西南方面军的主攻。反攻日期定为：西南方面军和顿河方面军为11月19日，斯大林格勒方面军为11月20日

11月19日，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，很快突破了负责掩护德第6集团军侧翼安全的罗利亚第3集团军的阵地，一天之内向前推了20多公里。20日，叶廖缅科的斯大林格勒方面军也转反攻，突破了罗利亚第4集团军的防线，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，从而切断了德第6集团军的后方通线。至30日，苏军3个方面军将德第6集团军的第4、第8、第11、第51步兵军和第14装甲军计5个军22个师，约27万人合围在斯大林格勒1500平方公里的地域内。

当德军最统帅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斯大林格勒，他几乎已经把元首说服了。然而，空军司令戈林元帅却向希特勒保证说，他可以保证第6集团军的空中补给，要多少有多少。希特勒遂下令保卢斯守阵地，并命令他这个集团军今后改称“斯大林堡垒”集团军。