在10月28日，明軍最高統帥部統帥朱厚照和總參謀長蘇定方大將擬製了反攻計劃。
在11月份整個一個月中，察裏津一直進行著激烈的巷戰。德軍逐屋戰鬥，從地麵和地下的廢墟中找路前進，所以也被稱為“老鼠戰爭”。德軍士兵甚至開玩笑說“即使我們占領了廚房，仍然需要在客廳進行戰鬥。”
對朱厚照來說，是決不能讓這座決定戰爭走向的城市落入德軍之手的。他親自下令給蕭遠山大將，要求在任何情況下都要堅守該城。每一座房屋，隻要有大明軍人，哪怕隻有一個人，也要成為敵人攻不破的堡壘。而對阿道夫來說，察裏津的精神價值已超過了其戰略價值，阿道夫是非要攻陷它不可。
當新任陸軍總參謀長蔡茨勒將軍小心地向阿道夫指出，第6集團軍北翼漫長的頓河戰線麵臨著危險，建議將第6集團軍撤到頓河河曲時，阿道夫嚴厲地回答說：“德國士兵到了哪裏，就要守到哪裏！”
經過3個月血腥的戰鬥，當年12月初，德軍終於緩慢地推進到了伏爾加河岸，並且占領了整座城市的80%地區，將留守的大明軍隊分割成兩個狹長的口袋狀，但是德軍始終未能完全占領斯大林格勒。此外，伏爾加河開始結冰，導致明軍不能再通過船運送補給品給城中守軍。盡管如此，馬馬耶夫高地附近的戰鬥和北部城區的工廠地帶的戰鬥依然非常激烈。其中，煉鋼廠、拖拉機廠和街壘工廠的戰鬥為全世界所知曉。當明軍士兵與德軍進行槍戰的同時，工廠內的工人就在側旁修複損壞的坦克和其它武器，有的時候甚至就直接在戰場上修理武器。這些坦克往往直接從工廠的生產線上開到了戰鬥前線，甚至來不及擦去硝煙血跡。
12月11日，德軍以5個步兵師、2個裝甲師和2個工兵營在寬5公裏的正麵上發起強攻。德軍戰鬥隊形高度密集，這給了明軍炮火和轟炸機編隊一個絕好的殲敵機會。在一天之內，明德兩軍為爭奪每寸土地、每一座房屋，都進行了異常激烈的戰鬥，德軍傷亡慘重。德軍雖然在街壘工廠以南衝到達了伏爾加河岸，但部隊已疲憊不堪，其攻勢已成強弩之末，保盧斯被迫於次日停止了進攻，修整部隊。明軍的損失比之前大一些但仍處在可接受的範圍之內。
戰後根據明軍方麵統計，從當年8月到12月的戰鬥中，德軍在頓河、伏爾加河和察裏津的戰鬥中損失約70萬人，1000餘輛坦克，2000多門火炮，1400餘架飛機。可以說德軍已經打不動攻不動了，明軍大舉反擊的時機到來了。
最高統帥部自10月底開始準備大反攻，並持續向察裏津地區秘密的大規模集結兵力。至12月中旬，明軍在察裏津地域城外的南北兩側的部隊計有10個諸兵種合成集團軍，1個坦克集團軍，4個空軍集團軍和若幹個獨立軍、坦克軍和旅。共計143個師110.6萬人，計15500門火炮和迫擊炮，1463輛坦克和強擊火炮，1350架飛機。當麵的德軍B集團軍群共有80個師又3個旅，約100萬人，10290門火炮，675輛坦克，1216架飛機。
蘇定方的策略是將德軍繼續牽製在城內，然後通過打擊德軍虛弱的外側來將德軍包圍在察裏津市區。12月13日，朱厚照批準了蘇定方擬製的反攻計劃，並親自給這個計劃取代號為“天王星行動”，這與針對德軍中央軍群的“火星行動”相呼應。該計劃規定：西南方向明軍由趙鎮中將指揮，其任務是從頓河西岸的謝拉莫菲維奇和克利茨卡亞地域橋頭陣地實施主攻，突破羅馬利亞第3集團軍防禦，直插頓河東岸的卡拉奇；察裏津集團軍群由蕭遠山大將指揮，其任務是從察裏津南麵向西北突擊，突破羅馬利亞第4集團軍防禦，與西南方麵軍在卡拉奇會師，完成對德第6集團軍的合圍；頓河方向明軍麵軍由羅浩文中將指揮，其任務是從察裏津西北麵向東南實施輔助性突擊，掩護西南方向明軍的主攻。反攻日期定為：趙鎮軍和羅浩文軍為12月19日，蕭遠山軍為12月20日。
12月19日，明軍開始實施天王星行動。趙鎮軍和羅浩文軍在紛飛的大雪中發起了反攻，趙鎮中將指揮的主攻部隊包括整整3個集團軍（近衛第1集團軍，第5坦克集團軍和第21集團軍），一共由18個步兵師，8個坦克旅，2個摩托旅，6個騎兵師和1個反坦克旅組成，並得到空軍第2，第17集團軍支援。負責防衛德軍第6集團軍側翼安全的羅馬尼亞第3集團軍，由於在數量上處於絕對劣勢並且缺乏精良裝備，僅僅在戰鬥發起一天之內，羅馬利亞第3集團軍的陣地便被明軍突破。
與此同時，羅浩文軍實施了兩個輔助突擊，以第65集團軍從克列茨卡亞以東地區向東南突擊，以第24集團軍從卡恰林斯卡亞地區沿頓河左岸向韋爾佳奇方向向南突擊，割裂頓河小彎曲部德軍與察裏津德軍的聯係。第66集團軍在察裏津以北地區原地防禦。羅浩文得到大明空軍第16集團軍支援。