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然而，到12月24日，苏军部队开始集结。波波夫指挥的第5突击集团军在顿河以西集结，位于马利诺夫斯基第2近卫集团军的右翼，特鲁番诺夫指挥的第51集团军的部分兵力在其左翼，又恢复了正常的油料补给。于是，苏军郑重其事地开始了进攻。首先撤退的是掩护赫特左翼的罗马尼亚人。在后三天中，第57装甲军被逐出梅什科夫，开始撤向阿克赛…伊萨洛夫斯基河，尔后退至科帖尔尼科沃。12月12日，赫特便是从科帖尔尼科沃开始发动进攻的。第17甲师只剩下八辆坦克与一门反坦克炮。在溃不成军的罗马尼亚第4集团军的翼侧，苏军第2卫集团军与第51集团军的坦克部队与机械化部队开始迅速地向西面的顿河下游运动。12月27日，第7坦克军攻打科帖尔尼科沃机场，而第13机械化军与第3近卫机械化军则从南部迂回攻克了苏维埃诺耶，正向集莫夫尼基机场运动。顿河集团军群将遭到两支装甲部队的合围，南部是叶廖缅科的三个机械化军与一个坦克军；北部是瓦杜丁的四个坦克军与一个机械化军。克莱斯特指挥的A集团军群穿越罗斯托夫的交通线受到威胁。迟至12月28日夜间，希特勒才被迫同意把顿河集团军群与A集团军群撤康斯坦丁诺夫斯克…萨尔斯克…阿尔玛维尔这条总防线上。这条新防线位于斯大林格勒以西约一百五十英里处。甚至到那时，元首还坚持说（至少对国外是这样说的），他还要拯救斯大林格勒。
征服斯大林格勒德军的作战由七个集团军实施，其中有叶廖缅科的斯大林格勒方面军转隶给顿河方面军的第62、第64、第57集团军和罗科索夫斯基的顿河方面军自己的四个集团军。次年1月1日，斯大林格勒方面军改称南方方面军。在曼施泰因的救援部队尚未被最后击退、马利诺夫斯基指挥的第2近卫集团军又不能向顿河方面军抽调部队的情况下，苏军未向第6集团军发动大规模的进攻。1月8日，罗科索夫斯基向被围德军提出受降条件，遭到拒绝。两天后，开始发动首次进攻，旨在由东向西收缩包围圈。进攻是在炮兵快速移动的弹幕射击与坦克的配合下于上午九时发起的。它还得到尚未在作战地域取得全部制空权的第16航空集团军的支援，以及瓦尔德·乌布利希编纂的德语传单与广播的声援。乌布利希是配属于顿河方面军政治部的。尽管德国人发动多次反击，但苏军第65集团军在第一天仍向前推进五英里。到1月13日，攻克了七个机场中最西面的卡尔波夫卡机场，德军正用它为第6集团军提供补给。在包围圈的北面与南面，苏军其他集团军的进攻进展较慢。在这场伴有暴风雪的激烈战斗中（温度很少在摄氏零下三十度以上），德军的每日口粮下降到二百克马肉、七十五克面包、十二克人造奶油或动物油。在铁一般坚硬的地面上不可能挖掘工事。第44、第76步兵师与第29机械化步兵师将自己在进攻的第一天所遭受的惨重损失上报给陆军总部。但是，唯一的反响就是在1月11日的答复中划定了一条新防线，并命令第6集团军未经最高统帅准许不得由此后退。一周之后，即1月17日，包围圈从原先的东西向四十英里长、南北向二十英里宽缩小到东西向二十英里长、南北向十英里宽。又有五个简易机场，包括唯一拥有夜间飞行设施的皮托姆尼克大型机场失守，唯一残存的机场在古姆拉克。但是由于积雪深，敌人的轰炸又炸出许多弹坑，常常停用。所以，从此以后德国人只好用伞降和自由空投的办法继续提供补给。这种方法的效率较低，因为需要使用专门的重型设备和受过训练的包装工与空投组。在空投时，飞机的保险系数非常低，而且投放速度缓慢，不准确，许多补给品散落到苏军手中。此时，第6集团军十分混乱，毫无机动能力，部队由于挨饿受冻，已无斗志，力不能支，以致于连收集和分配空投物资的愿望和念头都没有了。
当斯大林格勒被围八周之久，所有机场均已失陷后，一味拖延的元首为了不断地为第6集团军提供空中补给，又想出了一个新的更加坚决的措施，把指挥这场空运的权力由无能的戈林手中收回转给米尔契元帅。这个握有全权的精干的德国空军军官，于1月16日携同其参谋人员抵达塔甘罗格。米尔契后来说，如果他早日被召，就能增加补给量。事实上，即使补给情况有所改善，也是治标不治本，仍无法延长第6集团军抵抗的时间。另外，下列情况也是事实：如果增加的飞机没有新机场和必要的支援单位，依旧无法改善第6集团军的处境。在空运的最初几天中，大批飞抵塔秦斯卡亚的空运部队就使机场的地勤组织应接不暇。
鲁登科指挥的苏军第16航空集团军也给敌人造成伤亡。德国的亨克尔111型轰炸机装备着性能良好的防御武器，使苏军战斗机不敢轻举妄动。但是，容克52型飞机却易遭摧毁。夜间，德国的运输机是单独活动；而在低云和能见度不良的情况下，它们有被敌战斗机截击的危险，往往双机编组飞行。然而，在晴天，它们则用战斗机护航，以中队编队飞行。当包围困内的飞机场依次遭到苏军飞机、火炮与迫击炮的反复猛烈地轰击时，飞机在此起降是十分危险的。在包围圈内的各个飞机场上，工作人员与劳工饿得虚弱不堪，大大拖延了从飞机上卸下补给品与填平跑道上的炸弹坑等项任务的完成。到最后，他们甚至连清除掉妨碍飞机在古姆拉克降落的薄如地毯的松软积雪的力气也没有了。机场的情景尤使较年轻的、经验不足的飞行员望而生畏，到处可以感受到恐怖的气氛，而且为了防范装病的和开小差的人搭乘飞机，需要实施严格控制。机场上聚集了大批的伤员，绝大部分已无撤走的希望。总之，在这次作战中，德国空军损失了四百九十架运输机，其中一百六十五架是当运输机使用的亨克尔111型轰炸机。损失空勤人员约一千名。在损失飞机的总数中，有许多是在地面上被击毁的。当苏军夺取塔秦斯卡亚机场时，德军损失的运输机不少于七十架。
苏军反攻的成功，使德军诸机场的平均飞行距离从一百二十五英里增至二百英里。最后，增至近三百英里。飞行时间越长，飞机需要携带的油料越多，有效载重量相应减少。飞机在空中逗留的时间越长，可以飞行的次数越少，而维修保养时间却越长。12月中旬，平均每日的运输量为一百四十吨，1月下旬则减至六十吨。由于米尔契的努力，运输吨位有所恢复，增加到每日八十吨左右。但是，这个数字对第6集团军的需要量来说，不过是杯水车薪。距收场的日子己不远了。弹药补给与粮食补给均已告竭。尽管已运出二万五千名伤员，但还有一万二千名伤员在酷寒中蜷缩在废墟和地下室里无人照料。1月10日，或此后不久，保卢斯因无法供给苏军战俘食物，便下令把他们送还苏军。但是，这项命令显然未得到执行，因为有的人不敢走，有的人遇到苏军的包围部队又被挡了回来。据说，顿河方面军于1月17日向保卢斯递交了第二份劝降书，提出了它不可能、也不会履行的条件。这些条件是照顾德军伤员，战后将所有的战俘遣返回国。
1月22日，罗科索夫斯基开始最后阶段的进攻，准备分割包围剩下的德军防御阵地。到那时，曼施泰因已超出与保卢斯进行短波无线电话与打字电报联系的距离，可是，保卢斯却仍与陆军总部保持无线电联系。罗科索夫斯基发动进攻的那天，保卢斯拍发了一封无线电报给蔡茨勒并请转呈希特勒。他在电报中详细叙说了部队的处境，并问他应如何对弹尽粮绝的部队实施指挥。希特勒拒绝了投降的暗示，甚至迟至1月24日仍拒绝第6集团军以小股部队向西突围。岂不知它们突围之后，即使不能与顿河集团军群会合，也能在苏军防线后方制造混乱。
与此同时，苏军在顿河上游发动了一次新的大反攻，其威胁之大是前所未有的。1月13日，戈利科夫指挥的沃罗涅日方面军向位于意大利第8集团军北部的匈牙利第2集团军发动进攻，并迅速肃清倒霉的B集团军群所辖的残存兵力。新年以后，德国公众才充分了解到局势的严重程度。对解救守军抱很大希望的人寥寥无几。到1月中旬，对希特勒来讲，局势已无可挽回是再明白不过的了，他不能再装模作样，似乎他还有什么应急妙计。况且，苏军最近向匈牙利人发动的攻势，已使顿河集团军群与A集团军群甚至处于更加危险的境地。曼施泰因赞成第6集团军投降，他与元首在电话中进行了长时间的争吵，极力主张投降。但是，希特勒却坚持，包围圈中的战斗还能进行一些时日，并且坚持说，俄国人向来不守信用，所以投降不会有什么好结果。这一说法并非没有道理。
在斯大林格勒城内，崔可夫的第62集团军的西半部仍被德军第6集团军包围着，被切成两半，但它牵制了大量的德国师。扎多夫的第66集团军与舒米洛夫的第64集团军从包围圈南北两侧对德军形成夹攻之势。同时，另外四个苏军集团军从西部发起进攻。1月26日，奇斯佳科夫的第21集团军与第62集团军会师，从而德军第6集团军陷入南北两个包围圈中。1月31日，战斗己近尾声，口粮已不再发给德军伤员。此时此刻，希特勒将保卢斯由上将提升为陆军元帅，显然还希望保卢斯会继续抵抗，必要时以自杀去对付要俘虏他的人，因为自1871年建立大德意志以来，从未有一个陆军元帅当过俘虏。同日，苏军第38摩托化步兵旅的一支先遣队攻入红场附近的一座大商店，第6集团军司令部就设置在这个地下室里。保卢斯及其参谋人员被俘。南部包围困内的战斗就此结束。北部包围圈内的德军在第11军军长施特雷克尔的指挥下，一直抵抗到2月2日。
苏军最高统帅部宣布俘获德军九万一千人，有二十四名将军，二千五百名军官，其中许多人是伤病员。据说，被苏军掩埋的德军死亡人员达十四万七千人，后来，曼施泰因与保卢斯坚持说，在斯大林格勒的德军不超过二十二万人。德军最高统帅部当时收到有关德军的伤亡数字是：死亡人员与被俘人员共二十万人。另外，苏联人是否对他们的战利品大批的德国战俘进行过查对都很难说，更谈不上清点战场上死亡的德国人了。就连苏联人本身对德国战俘人数的估价都十分矛盾。例如，日林在1956年撰写的文章中声称，苏军歼灭了二十个德国师与两个罗马尼亚师，这是正确的，但却说俘获战俘十三万人。且不论哪种说法正确，有一点则是确凿无疑的，那就是约有二十万德军部队在斯大林格勒丧生。被说成是战俘的九万一千人中，真正返回德国的只有几千人。
莫斯科于2月1日清晨宣告：斯大林格勒德军已投降。但是，柏林并未向德国人民广播这条消息。两天后，才广播了一份公报。公报中详细叙述了第6集团军的覆没，宣称在保卢斯元帅的模范领导下的第6集团军由于寡不敌众，才被苏军战胜。并宣布悼念这一损失，规定国丧日二天。可是私下里，希特勒的感情却截然相反，他狠毒地咒骂保卢斯与同他一起被俘的将军们，发誓战后要将他们送交军事法庭。他说，保卢斯将是晋升为陆军元帅的最后一个德国军官。这么多的人都死了而保卢斯却活着，希特勒是不会饶恕的。元首本人似乎根本不承认他本人应对这场灾难负什么责任，而只是一味地指责他的将军及其盟国。
斯大林格勒包围圈内德军的处境是十分凄惨的。皮托姆尼克机场失守后，主要弹药库与补给品堆积所均被苏军占领。惊恐的情绪开始在守军中蔓延开来。德军士兵径自离开阵地，艰难地朝东向斯大林格勒走去。开始是一小队人，后来汇成一条川流不息的人流。尽管许多人已经负伤或严重冻伤，但是他们还是被军官赶拢，逐回射击掩体。伞降补给品与空投补给品散落得到处皆是。凡是落在目标上的物品，德军士兵们便甘冒处死的风险把它们抢夺一空。1月末，第24装甲师司令部退至拖拉机厂，与第389步兵师的部分部队以及施特雷克尔指挥的第11军司令部会合。2月2日凌晨时分，那里前沿上的部队未接到命令便开始投降。到九时，俄国人把这些俘虏驱集在一起。他们允许师长冯·伦斯基向他的士兵作最后一次训话。演讲结束后，除负责监视的苏军外，所有在场的人都为德国欢呼三声。然后，由一位不知名姓的苏联将军对俘虏讲话。他赞扬了他们的勇气，许诺要给他们良好的待遇、可口的食物和保留所有私人财产的权利，还说，战后将把他们迅速地遣送回国。
随后，他们开始了饥饿的长途行军。这支队伍的私人物品一次又一次地遭到劫掠。行动的有时是苏军士兵，但更多的则是苏联老百姓。只有少量的人员押解俘虏。成群结队的武装匪徒在这支俘虏队伍的左右待机而动，那些因病、因累而掉队的俘虏，无不落入他们手中，从此再也见不到踪影。最后，这支队伍被装上火车，经由萨拉托夫、奥伦堡、思格斯、塔什干运往阿富汗以北。每站都从载运牲口的车皮上卸下死人。在乘坐火车的人中，只有百分之五十的人抵达目的地。
苏军的反攻与第6集团军的覆没，是德军从未遭受过的最大失败，对德国的盟国是当头一棒，未交战国也很注意。苏军的史料把斯大林格勒会战描绘成整个第二次世界大战的转折点。据此推理，似乎这次胜利成了希特勒德国最后覆灭的重要原因。这当然是不能成立的。不错，第6集团军的覆没使德军失去了二十个师、二十多万人。另外，实际上，苏军在包围圈之外还消灭了六个德国师，伤�