由于战斗没有结束的跡象，德军开始调动重型火砲进入市区，包括巨大的八百毫米的铁道炮，暱称为朵拉。苏联在东岸建立了大量的砲兵阵地，这些大砲连续地轰击德军的阵地，同时俄军守军将轰击所造成的废墟变成防御阵地。德军战车在废墟中变得毫无用处，当它们向前推进的时候，就会成为在破烂建筑物中的俄军反战车炮的攻击目标。
　　 苏联的狙击手成功地利用废墟对德军造成了巨大的伤亡，最成功以及最出名的狙击手就是瓦西里．柴契夫，他在战役之中杀死了二百四十二名的敌军及总计超过了三百人；他打死了一个德军的王牌狙击手，著名的欧文．柯尼希。柴契夫以及他超过三十名狙击手学校训练出的学生总共杀死了超过三千名德军士兵。
　　 柴契夫使用的是一支标准的莫辛－纳甘步枪及PTRD－41十四点五毫米的反战车步枪，当不在窗户时射击躲在墙后的德军士兵，重型的十四点五毫米子弹能穿透砖墙，直接射死德军，英勇的战功使得柴契夫被授与苏联英雄的称号。
　　 德国空军到十一月初仍然保有制空权，但是在进行了二万架次的飞行之后，原本有一千六百架可用的飞机已经降到了九百五十架，其中原本四百八十架的轰炸机只剩下二百三十二架，虽然说数量上仍然是佔有优势，但是第四航空队未能阻止日益增强的苏联空军的力量，到了俄军反攻的阶段，苏联空军的兵力更是超过了第四航空队。
　　 德国空军的情况变得日益困难，大量的第四航空队的战机被撤出以应付盟军在北非的登陆，德国空军的力量被分散到整个欧洲。
　　 经过三个月的杀戮和慢速的推进，德军最终到达了最终的河岸，攻佔百分之九十已经破烂的市区，并将残存的俄军切成两半。然而双方的战斗，特别是在马马耶夫岗的斜坡上和市内北部地区的工厂区，仍然是激战如昔。
　　 知道德国军队正准备在冬季的进攻行动，将大部分的兵力调到东部战线，苏联最高统帅部决定进行了一系列的进攻行动。
　　 苏联的天王星行动的反攻计划是使用欺骗的手段，围困和摧毁在市内的德军第六军团和轴心国部队，最后成了第二次世界大战中德军最大规模的败战。
　　 十一月红军实施天王星行动，俄军进攻部队包括三个军团，第一亲卫军团、第五战车军团以及第二十一军团，共有十八个步兵师、八个战车旅、二个机械化旅、六个骑兵旅以及一个反战车旅。
　　 防线薄弱、兵员短缺及装备低劣的罗马尼亚第三军团立即被击溃。第二个俄军的攻势在史达林格勒南面实施，攻击防守的罗马尼亚第四军团，步兵所组成的罗马尼亚军几乎崩溃。
　　 因为俄军的天王星行动，大约二十六万五千名德国及罗马尼亚士兵、克罗埃西亚第三六九步兵团，包括四万名的苏联志愿者部队发现自己被包围在一个口袋中，在包围圈中同时还有存活的苏联平民大约一万人，以及数千名在战役中被德军俘虏的苏联战俘。
　　 德军第六军团共有二十个师和一百个营，德军在包围圈中的兵力大约是二十一万人。在口袋里也有大约一万名苏联平民和几千名被德军俘虏的苏联士兵。
　　 在这二十一万名德军士兵中，一万人仍然在继续的战斗、十万五千人投降，三万五千人被空运撤离，其实六万人死亡，大部份的人是在被俄军包围十一周的时间无法投降而自杀。
　　 第六军团是当时全世界规模最大的军团，比一般德国军团还大两倍，还有第四装甲军团的一个军被包围，这些部队将必须由空运进行补给。最高的一百零六吨日的运输量是远低于每日最少要八百吨的需求。
　　 空运补给的失败，恶劣的天气情况，技术上的失败，俄军高射炮的强大火力和战斗机的拦截导致德军损失四百八十八架的飞机。德国空军未能达到每天供应一百一十七吨的供应量，平均每日只有八十五吨的补给物资被运到被围的德军手中。
　　 第六军团的士兵慢慢地被饿死，飞行员十分震惊地发现部队因过于疲惫及饥饿而没有能力卸下补给品。
　　 苏联部队集中在史达林格勒周围的部队开始进行激烈的战斗以缩小包围圈。十二月德军发动的冬季风暴行动，是德军尝试从救援被围的部队，被俄军瓦解了。恶劣的俄罗斯冬季，伏尔加河河面结冰，让俄军更容易进行补给，被包围的德军迅速的消耗了取暖燃料和医疗用品，数千个士兵因冻伤、营养不良和疾病而死去。
　　 俄军实施第二次的进攻，即是土星行动，十五个师的俄军在最少一百辆战车的支援下从马蒙的桥头堡出发，攻击义大利的科塞里亚及拉文纳师，义大利军不敌撤走。
　　 第六军团已经没有希望获得任何的援助，一些德军军官违抗希特勒的命令，不再坚守史达林格勒的包围圈，第六军团缺乏汽油以及德军士兵在恶劣的俄罗斯冬季下徒步突破俄军战线都变得非常的困难。
　　 德军不但陷于饥饿中，而且还缺乏弹药。但是他们继续地顽抗，部分的原因是因为他们认为俄军将会处死任何投降的人，特别是协助德军作战的苏联公民，他们在被俘时对已经对自己的命运不抱有任何的幻想。
　　 血腥的城市战在史达林格勒再次地展开，但是这一次是德军被迫逃向伏尔加河岸边，他们在工厂区建立防御工事咬牙切指般兇猛的抵抗。
　　 俄军特使向德军提出优厚的投降条款，如果能在二十四小时内投降，将得到所有战俘的安全，对所有伤员作出医治，所有战俘均可保留个人物品，提供正常的口粮，战争结束后遣返到达任何的国家，德军因为希特勒不得投降的命令，而没有回应，直接导致第六军团的毁灭。
　　 当俄军接近德军设在已成废墟的百货商场内的司令部时，德军投降，在史达林格勒北部剩下的轴心国军队投降；九万一千名劳累、染病及饥饿的士兵被俘虏，包括三千名的罗马尼亚士兵。俘虏中包括二十二名的将军，希特勒对他的将军们极为愤怒地说：“本来可以摆脱所有的痛苦并保有不朽的荣誉，但是他们宁愿到莫斯科去！”
　　 史达林格勒是纳粹德国政府首次承认在战争中的失败，这不是德国军事第一次遭受到重大的挫折，但在史达林格勒的惨败是德国历史上从未有过和无与伦比的。
　　 超过一万一千名的士兵在投降时拒绝放下武器，他们认为因战斗而阵亡是优于在俄军集中营里慢慢地死去。他们躲藏在地下室和下水道继续的抵抗，最后二千四百一十八人被打死以及八千六百四十六人被俘虏。