聽到這個建議，希特勒頓時火冒三丈，他大聲叫喊說：“我決不離開伏爾加！我決不從伏爾加後退！”希特勒心裏十分清楚，一旦從伏爾加退卻，那麼，將永遠離開那裏。於是他親自下令第6集團軍堅守斯大林格勒周圍陣地。
希特勒一時發瘋作出的決定，很快就帶來了災難。希特勒及其隨行人員於11月22日回到大本營。這已經是蘇軍發動進攻的第4天，南北兩麵的蘇軍，已在斯大林格勒西南40英裏頓河河曲上的卡拉赫會師。至此，蘇軍反攻戰役第一階段順利完成，把德軍22個師約30萬人合圍起來了。
在蘇軍強大攻勢麵前，希特勒急電德軍第6集團軍司令保羅斯堅決抵抗，穩住斯大林格勒方麵的防線，同時答應派援軍去解圍，空運戰爭物資。為此目的，他特地從列寧格勒把馮.曼施泰因元帥調到南方。又從各戰場，甚至從法國搜集一些兵力，聚集在天科捷利尼科爾斯基和托爾莫辛附近，組成頓河集團軍群，由曼施泰因指揮，準備為保羅斯解圍。
12月12日，德國援軍主力從科捷利尼科爾斯基出發，沿鐵路線北上。他們不顧重大傷亡，向斯大林格勒方向猛攻。12月16日渡過阿克塞河，並向梅什科瓦河逼近。在這裏受到蘇軍的頑強阻擊。
12月19日，這支德軍進抵梅什科瓦河，離斯大林格勒隻有40公裏。這時，曼施泰因命令保羅斯向西突圍。但被圍困的德軍已精疲力竭，需要數天的準備才能突圍，而且因為缺少燃料，坦克行駛不了40公裏的路程。
結果這一幻想破滅了。就在這個時候，蘇聯西南方麵軍和沃羅涅什方麵軍的另一支大軍，以450輛坦克為先導，從馬蒙附近發起了新的攻勢。這支蘇軍來勢凶猛，粉碎了意大利第8集團軍之後，至12月23日南下180公裏，直插托爾莫辛北麵，對德國頓河集團軍群的後方造成了嚴重威脅。
與此同時，另一支蘇軍從下切爾斯卡亞發起攻勢，迫使德國頓河集團軍群的左翼西退。在此情況下，曼施泰因為了自身的安全，不得不命令北上的德軍南撤，並將其第6坦克師調到頓河以西，以抵擋從北麵襲來的蘇軍攻勢。同時命令保羅斯停止突圍。
12月24日，蘇軍斯大林格勒方麵軍乘機從梅什瓦河一帶發起反攻，緊迫退卻之敵，12月29占領科捷利尼科爾斯基。於是，希特勒的解圍計劃徹底破滅。被圍德軍已成甕中之鱉，覆滅的命運已經注定。
蘇軍在斯大林格勒對德軍的包圍圈，初期東西長40公裏，南北寬20公裏。30萬被圍德軍每天需要750噸物資，德國空軍元帥戈林答應每天空運500噸，但實際隻運到100多噸。於是軍中出現饑荒，彈藥缺乏。包圍圈逐漸縮小，德軍傷亡與日俱增。至12月底，被圍的30萬德軍中，實際上有戰鬥力的僅剩20餘萬人了。
至1943年1月初，被圍德軍的處境更加狼狽，每人每天隻分到一片麵包，15人分食1公斤土豆，喝的隻有雪水，騎兵的馬匹也被宰殺充饑。每人一天隻領30發子彈，坦克因缺少燃料不能開動，大炮缺少炮彈。德軍忍受著饑餓和嚴寒，蜷縮在冰凍的戰壕裏，等待著滅亡的命運。
蘇聯最高統帥部於1月8日，派出使者到德軍陣地向保羅斯提出最後通牒，要求德軍投降。蘇軍建議他們接受的投降條件為：所有被俘人員一概發給通常標準口糧；傷病員和凍傷人員將得到醫治；所有被俘人員可以保留他們的軍階和領章、勳章和個人財物。通牒要求保羅斯於24小時之內答複。
保羅斯將蘇方最後通牒的全文發給希特勒，並要求準予便宜行事。希特勒駁回了他的請求。1月10日早晨，蘇軍以5000門大炮猛烈炮擊，這一仗打得激烈殘酷，在瓦礫成堆、遍地冰凍的廢墟上，雙方展開無情拚殺。6天之中，德軍的袋形陣地縮小了一半，1月24日，陣地又被劈為兩半，最後一條小小的臨時跑道也失去了。過去一段時間，德國空軍運來供應品，並運走了2.9萬名傷病員。
這時，蘇軍指揮部再次建議被圍德軍投降。保羅斯司令部發生了意見分歧，兩個軍長主張投降，但保羅斯沒有得到希特勒允許，拒絕進行投降談判。蘇軍的建議再次遭到拒絕。
1943年1月22日，蘇軍對被圍德軍發起前麵進攻，經過四天激戰，前進了10至15公裏。24日，保羅斯又請示希特勒，並把德軍所處絕境電告他：“部隊彈盡糧絕，已無法進行有效的指揮，傷員1.8萬人，無衣無食，也無藥品繃帶，繼續抵抗下去無意義，崩潰在所難免。部隊請求立即允許投降，以挽救殘部生命。”
希特勒的回答仍是“不準投降”，並命令德軍死守陣地，“直到最後一兵一卒、一槍一彈”。
就在被圍德軍全軍覆沒前夕，1943年1月30日，是希特勒上台執政10周年，他下令授予保羅斯陸軍元帥軍銜，同時給予在斯大林格勒被圍的117名德軍軍官各晉升一級，妄圖以此來提高他們的士氣。
1月31日晚，保羅斯給希特勒發出最後一份電報後，率殘部9萬餘人投降了。整個戰役於2月2日結束。
在持續200天的整個斯大林格勒戰役中，法西斯軍隊在頓河、伏爾加河和斯大林格勒地區共損失150萬人，3500輛坦克和強擊火炮，1.2萬門大炮和迫擊炮，3000架飛機和大量的其他技術兵器。斯大林格勒大戰，是希特勒發動戰爭以來最大的一次失敗。也是第二次世界大戰中最大的一次戰役。
對於斯大林格勒之戰，時任中國共產黨主席的毛X東有一篇十分精確的預測：
斯大林格勒之戰，英美報紙比之為凡爾登戰役，“紅色凡爾登”之名已傳遍於世界。這個比擬並不過當。今天的斯大林格勒之戰，比起第一次世界大戰的凡爾登來，有性質的不同。但有一點是相同的，即有許多人在這種時候還被德國的攻勢所迷惑，以為德國還有獲勝的可能。第一次世界大戰結束於1918年冬，在1916年，德軍曾向法國要塞凡爾登舉行數度的進攻。當時德軍的戰役統帥是德國皇太子，投入戰鬥的力量是德軍的最精銳部分。當時的戰鬥是帶有決戰性質的。德軍猛攻不克，整個德奧土保陣線再也找不到出路，從此日益困難，眾叛親離，土崩瓦解，走到了最後的崩潰。然而當時英美法陣線方麵，還沒有看出這種情況，以為德軍仍極強大，不知道自己的勝利已經快到麵前。在人類曆史上，凡屬將要滅亡的反動勢力，總是要向革命勢力進行最後掙紮，而有些革命的人們也往往在一個期間內被這種外強中幹的現象所迷惑，看不出敵人快要消滅，自己快要勝利的實質。整個法西斯勢力的興起及其進行了幾年的侵略戰爭，正是這種最後掙紮的表現；而在戰爭中，又以攻擊斯大林格勒表現它自己的最後掙紮。在這個曆史的轉折點麵前，全世界反法西斯陣線內的人們也有許多被法西斯的凶惡麵孔所迷惑，看不出它的實質。
與東方蘇聯戰場激戰的同時，在北非戰場上，也正在進行著生死決戰。就是這一戰，使得一位德國將軍立地成名。但同時，一位英國名將也將呼之欲出。那麼，這是怎麼回事呢？