8月26日，朱可夫被任命為斯大林格勒方面軍的指揮官。他說服斯大林，不與德軍正面交戰，只進行局部的抵抗。隨即，朱可夫開始花費兩個月準備一項大規模的反擊行動，目標指向戰斗力稍弱的德軍和羅馬尼亞軍一翼。這么做是正確的。這段800公里長的頓河沿線兵力空虛，軸心國部隊的戰斗力也不太可靠。匈牙利軍隊反坦克炮威力弱，意大利軍隊則剛剛跋涉了近1 000公里，只有羅馬尼亞軍具有一定的戰斗力。朱可夫飛赴莫斯科向斯大林報告作戰計劃的當天，保盧斯也在文尼察面見了希特勒，接受他樂觀的鼓勵（盡管喝水也成了問題）。9月10日，德軍的裝甲集團軍到達了斯大林格勒以南的伏爾加河沿岸。13日，德軍攻占了位于斯大林格勒北部的火車站。隨后，戰斗的形式發生了很大的改變，德軍開始與蘇軍爭奪每一間房屋和每一處街壘，很多場戰斗都寫入了歷史，拍成了電影。保盧斯向希特勒報告，自己的部隊非常疲憊，但希特勒10月6日宣布，拿下斯大林格勒是集團軍群的主要任務。當時，德軍指揮部可能發生了一場爭論。盡管斯大林格勒已經被毀，但是在即將來臨的冬季，這座城市所能為部隊提供的保護仍然要好過大草原。而且空軍元帥戈林夸下海口，說德國空軍將提供空運支援。但是，德軍的食物供應并不穩定，運輸線也很脆弱。德軍只有3條經過改造的單線鐵路通向2 400公里之外的德國。而在德國，火車站里已經擁堵了幾百列火車。第六集團軍平均每次需要8~10列的火車運送物資，可運到的只有4列。此外，道路泥濘，通行不暢，等待運送給部隊的物資堆積如山。戰馬成群死去。然而，此時的希特勒已經完全沉浸在了自己的宣傳當中，他甚至說，在9月30日，最艱難的日子已經過去，斯大林格勒很快就將陷落。隨后，各種命令如雪片般飛出德軍的指揮部。到10月中旬，德軍確實抵達了伏爾加河沿岸，將蘇聯守軍一分為二，但是對每一間房屋的爭奪使德軍疲憊不堪，而且大規模的空中和炮火支援沒有想象當中那么有效。第六集團軍繼續向前推進，攻打兵工廠和冶金廠，但是在17日遭遇了失敗。
朱可夫在頓河橋頭堡地帶（克列茨卡亞和博利紹伊）的反攻經過了周密的準備，蘇軍甚至計劃奪取羅斯托夫，進而圍困北高加索地區的德軍A集團軍群。蘇軍嚴守秘密，部隊在夜間行動。在20天里，蘇軍向伏爾加河對岸秘密運送了16萬名士兵、1萬匹馬、430輛坦克和6 000門火炮。蘇軍把部隊從前線撤下來進行休整，訓練，組成預備隊。防守頓河前線的德軍仆從羅馬尼亞軍，只有一些繳獲的雜七雜八的火炮，他們唯一的預備隊是一個幾乎沒有馬的騎兵師。而且，他們的每個師都要防守大約20公里的地帶，在戰術上是非常不利的。在必要的時候，他們甚至還得接管意大利軍負責的一部分防線。在南面，羅馬尼亞軍的布防更加糟糕，10萬人分別部署在240公里，其中的一部分陣線還在蘇軍的觀察范圍內。他們只裝備了34門75毫米反坦克炮，地雷也只部署了所需的1/6。然而，盡管希特勒擔心頓河防線，他和德國陸軍參謀長弗朗茨·哈爾德似乎都認為蘇軍的戰斗力已經大為削減。德軍的情報工作非常薄弱，希特勒也于11月7日從文尼察經慕尼黑和希特勒在巴伐利亞阿爾卑斯山區的住所貝格霍夫回到了位于德國東普魯士拉斯滕堡的“狼穴”[209]，這里是他的東部前線指揮所。這一年的大事件正在展開。11月8日，正當隆美爾兵敗阿拉曼時，希特勒在慕尼黑的納粹黨建黨紀念大會上發表了講話（幾乎是希特勒最后一次公開講話），你可以聽出，希特勒正力圖恢復他往日的權威。他宣布，斯大林格勒實際上已經被德軍攻占。然而，僅僅10天之后，他所說的話就成為了一個笑話。
可是，德國人還不知道接下來會發生什么。直到蘇軍的反攻打響，蘇軍的大批坦克仍然沒有顯露出自己的蹤跡。然而，在11月19日，蘇軍30個師突然襲擊了羅馬尼亞第三集團軍。由于缺少油料，羅馬尼亞軍隊只能把一動不動的坦克當作掩護，老鼠咬斷了電線，坦克甚至無法開火。蘇軍突破防線，向南、東南和西南方向推進，到達了德軍第六集團軍后方30余公里處。第二天，蘇軍從斯大林格勒以南的伏爾加河河灘發起了新的攻勢，攻擊了另一支羅馬尼亞軍隊。隨后，兩支蘇軍發動鉗形合圍，直指駐守在頓河沿岸的卡拉奇的德軍。此時，德軍的裝甲部隊不僅缺少油料，而且只有約80輛坦克，最多只是一個裝甲團的規模。此外，由于天氣原因，德軍的第四航空隊也無法起飛。11月21日，北部的蘇軍部隊攻入了德軍第六集團軍的指揮部，德軍指揮官拋棄所有，倉皇逃竄。還是由于缺少油料，頓河西岸的兩個德軍師無法動彈。保盧斯知道這樣不行，不能依靠空中補給來打陣地防御戰，于是準備實施突圍。然而，希特勒卻不同意他們突圍，盡管集團軍群司令已經警告過他，援兵（位于斯大林格勒西南方110公里的科捷利尼科沃）到12月10日才能趕到。德國空軍元帥沃爾弗拉姆·馮·里希特霍芬說，指望空軍運送補給是完全不可能的。
德軍最高統帥部也是一片混亂。希特勒不在指揮部，其他人在薩爾茨堡。新任陸軍參謀長庫爾特·蔡茨勒在拉斯滕堡（為了讓希特勒了解在斯大林格勒戰斗的士兵正在承受多么大的痛苦，他和那里的士兵按同一伙食標準吃飯，在兩個星期里瘦了25斤）。希望在于，德軍現在擁有新型的虎式坦克，如果能像去年冬天那樣抵擋住蘇軍的圍困，那么一切問題都將迎刃而解。此時，曼施坦因開始擔任新組建的頓河集團軍群指揮官。但是，希特勒只交給他12個師，數量遠遠不夠，無法完成作戰任務。而且，他的飛機只有179架，只夠執行例行任務。曼施坦因的部隊在3天里前進了30多公里后，到12月19日已經無力再發起新的攻勢。此時，德軍在斯大林格勒最艱難的時刻開始了。盡管戈林已經承諾通過飛機運送補給，但是補給數量始終不足，并且逐漸減少。這是因為，德國空軍的基礎設施（比如冬季防護、氣象站和修理廠）都不在斯大林格勒，而且蘇軍經常把七拼八湊的德軍飛機（包括教練機）打下來，這都令德軍飛行員惶惶不安。德軍每天消耗132噸彈藥，但是飛機每天所運送的彈藥只有60噸出頭。過了12月2日，這一數字進一步下降到了53噸。此外，德軍只有1/10的油料能夠運達前線，馬匹也因缺少草料而死亡。德軍士兵每天只能得到310克面包、110克肉類（包括馬肉）和30克脂肪類食物。到了16日，氣溫下降到了零下30℃，士兵每天只能吃到馬肉湯和兩片面包。保盧斯說，食物供給只能維持到12月18日。在12月18日到21日，德國空軍運送了近500噸的食物，但這些食物擠占了彈藥的運輸量。21日，保盧斯第一次向希特勒報告了因饑餓致死的人數。德軍的油料只夠行軍十幾公里，已經沒有了突圍的希望。與此同時，蘇軍卻積蓄力量，在頓河沿線擊潰了一支意大利軍隊（12月19日），使德軍第四航空隊把力量分散在了頓河沿線。隨后，德軍一處機場被蘇軍占領，德軍失去了70架飛機連同所有的補給。到1943年1月12日，德國空軍每天只能運送110噸補給，這些物資甚至顯得于事無補，因為德軍所需的彈藥只運到了2%。到了1月14日，包圍圈進一步縮小到了原來的1/3，德軍的主要機場（皮托尼克）也被蘇軍攻占。因為失去了所有的飛機，航路被切斷，恐慌開始在德軍士兵中蔓延。不過，在1月25日，德國人還是頑強地在所剩的最高的建筑上插了一面納粹萬字旗，就連保盧斯也開始求助于“瘋狂的意志力”。到了1月28日，負傷的士兵和沒有武器的士兵沒有分到任何食物。當德國空軍空投補給的時候，補給常常會落到蘇聯人的手里。終于，設在百貨商場內的德軍指揮部表示投降。隨后，駐守在北部拖拉機廠內的德軍也宣布投降。
朱可夫的意圖是在德軍A集團軍群撤出北高加索地區前將其圍困。在任何情況下，這一大規模的撤退都是極難成功的。希特勒希望德軍至少能守住邁科普，但他真正想要實現的是守住羅斯托夫，同時重組包括克萊斯特第一裝甲集團軍在內的頓河集團軍群[210]。現在，這兩支部隊都必須向后撤退。他們試圖撤出自己的重型裝備，但是沒能完全實現。此外，德軍在后撤中還實施了“焦土政策”。這兩支德軍部隊的20個師（40萬人）即將退至亞速海南岸的塔曼半島。截至2月上旬，撤退已經基本完成。他們在冰天雪地里撤退了大約500多公里，途中也沒有飛機進行掩護。撤出的部隊經由克里米亞半島與曼施坦因會合，進入了頓河中部防線。先前，馬克西米連·馮·魏克斯所指揮的德軍B集團軍群防守著320公里長的戰線，斯大林格勒內的德軍投降后，他們幾乎派不出部隊來保護曼施坦因的北翼。德軍放棄了沃羅涅日橋頭堡，但不放棄頓涅茨盆地。因為，如果失去了頓涅茨盆地的資源，德軍的新型坦克計劃就將無以為繼。1月底，曼施坦因西側所面臨的威脅十分嚴重，于是，他從東部戰線抽調了快速機動部隊來加強哈爾科夫的防御。當時，蘇軍已經于2月初攻占了西部的庫爾斯克[211]，并且對南部160公里處的哈爾科夫形成了威脅。希特勒已經調來了黨衛軍裝甲部隊，但是直到2月9日，德軍的總體形勢依然嚴峻。隨著別爾哥羅德和伊久姆相繼陷落，黨衛軍裝甲部隊指揮官違抗了希特勒的軍令，以便使部隊逃出蘇軍的鉗形包圍。2月16日，黨衛軍裝甲部隊從哈爾科夫撤退。
斯特勒通常只命令他的將軍們死守，但是這一次，形勢非常危急，曼施坦因必須靈活應對。在第聶伯河一線，德軍的兩個集團軍群之間拉開了一個巨大的空隙，而蘇軍正來勢洶洶，他們重新奪回了哈爾科夫，此時正高歌猛進，把補給線遠遠地甩在了身后。曼施坦因對撤回到塔曼半島的德軍進行了重組，黨衛軍增援部隊也趕來會合。但是，蘇軍卻把德軍的這些調動判斷為撤退。隨后，在充分的準備后，德國第一裝甲集團軍（抽調自克里米亞半島）向西北方向攻打了蘇軍的側翼和后方，德軍不但奪回了哈爾科夫，而且在3月上旬重新恢復了頓涅茨防線。在這期間，第四航空隊的近千架飛機每天出動飛機1 000架次，非常高效。此時的戰場形勢很像1942年5月時的情形。哈爾科夫的再度易手也證明，只要組織得當，德軍仍然擁有強大的戰斗力。隨后，德軍再一次攻占了頓涅茨河沿岸的別爾哥羅德地區。
在北部和中部戰場，雙方的戰斗也仍然在繼續。在拉多加湖南岸的施呂瑟爾堡，德軍繼續威脅剩余的列寧格勒補給線。這里時常爆發小規模的斯大林格勒式的戰斗，其殘酷性嚴峻地考驗著雙方將士的毅力。不過最重要的是，蘇軍在1943年1月突破了德軍對列寧格勒的封鎖。此時，蘇聯人已經在拉多加湖架設了輸油管道，低溫使湖面凍結，可以作為道路使用。在夏季，列寧格勒東部的蘇軍沃爾霍夫前線是一片澤國。蘇聯紅軍對施呂瑟爾堡附近的狹長地帶展開了進攻，而德軍則固守拉多加湖南岸一線，把即將解圍列寧格勒的蘇軍擋在東側。該部德軍遭到圍困，但希特勒不允許他們撤退。德軍北方集團軍群已經沒有了預備隊，因為它的南翼也發生了戰斗。那里是狹長的德米揚斯克突出部，從早先進攻莫斯科開始，這里就一直處在德軍控制之下，并對雷賓斯克[212]形成威脅。雷賓斯克有一座巨大的水庫，負責為莫斯科供水。隨后，德軍放棄了已經暴露的杰米揚斯克陣地，不過，他們在地域更為廣闊的勒熱夫陣地堅守了兩個月。在列寧格勒被圍506天后，蘇軍終于開辟了一條通往列寧格勒的路上交通線，盡管它只有13公里，而且貫穿其中的部分鐵路線還處在德軍炮火的覆蓋下。東部前線再一次陷入了僵局。假如盟軍早一年在法國登陸，而不是等到1944年，那么盟軍是否也能早一年勝券在握呢？
