10月14日這一天，德軍發起了最激烈的一次進攻，目標是蘇軍第62集團軍司令部所在的“紅十月”工廠地區。德軍出動了800架轟炸機，支援5個新銳步兵師和2個坦克師向蘇軍隻有5千米的狹長陣地猛撲。這狹長陣地以倒塌的廠房為主體，到處布著彎曲的鐵軌和成山的煤堆。在該陣地上進行防守的，是新從西伯利亞調來增援的古爾特耶夫師。該師頑強堅守陣地，其中1個團與輪番來攻之敵廝殺48小時，幾乎全部犧牲。第62集團軍的司令部裏，也先後陣亡61人。到11月18日，德軍先後向這個陣地進攻117次，其中進攻最多的一天竟有23次。可是，德軍卻始終未能把陣地攻破。
雙方對火車站的爭奪也是極為激烈的。車站雖成斷垣殘壁，但反複易手卻達13次之多。“一九廣場”上的戰鬥，同樣驚天動地。戰士巴甫洛夫率領的小分隊，奉命奪回能夠瞰視和控製整個廣場的一座四層樓房，並在那裏堅守了58個晝夜。該樓房雖然被炮彈和炸彈轟得百孔千瘡，而巴甫洛夫的小分隊卻一直戰鬥不止，有力地阻擋著德軍的進路。在兩個多月的巷戰中，雙方逐街逐屋反複爭奪，彼此都付出了極高昂的代價，做出了慘重犧牲。
希特勒原想采取速決戰，不斷猛增兵力，企圖很快把斯大林格勒奪取到手，以割斷蘇方莫斯科與高加索之間的戰略補給線。可是，蘇聯軍民的頑強抵抗，使德軍逐漸陷入了困境。蘇軍在防禦作戰中，大量消耗了德軍力量，為蘇軍最高統帥部組建和前調預備隊贏得了寶貴時間。在蘇軍頑強抵抗下，德軍人員和武器裝備的損耗日益嚴重，其後勤補給越來越困難。從7月到11月期間，德軍在頓河、伏爾加河與斯大林格勒的交戰中，累計損失官兵近70萬人、坦克1000餘輛、火炮和迫擊炮2000餘門，飛機約1400架。
到了11月中旬，作戰地區開始降雪，伏爾加河河麵上也浮起片片薄冰。德軍士兵又一次麵臨著沒有禦寒衣物的厄運。士兵們不得不把一切可以弄到的襯衣和單衫統統套在身上，往凍得硬邦邦的人造革靴子裏塞著幹草。
在這種情況下，德軍士氣低落，恐懼和厭戰情緒與日俱增。這樣，時機已經開始有利於蘇軍，蘇軍也正等待著反擊的日子盡快到來。
1942年11月19日至1943年2月2日為第二階段，蘇軍反攻，德軍潰敗。
早在1942年9月，當德軍剛剛攻進斯大林格勒市區時，蘇軍總參謀部即奉命製訂反攻計劃。這個代號為“天王星”的反攻計劃，於11月13日得到最高統帥部的批準。當時，由於國內人力物力資源的充分調動，加上盟國的援助，蘇軍在戰場上的兵員、火炮、坦克、飛機數量，已全麵超過了德軍。在反複爭奪斯大林格勒城區的鏖戰期間，蘇軍已在伏爾加河後麵秘密地集結了10個集團軍、1個坦克集團軍、4個空軍集團軍，以及一些獨立坦克軍和騎兵軍等部隊，總共有50萬步兵，230個炮兵團、115個喀秋莎火箭炮團，15500門火炮和迫擊炮，1463輛坦克（其中T—34坦克900輛）、1350架作戰飛機。這一重大軍事情況，在前線忙著作戰指揮的德軍前線指揮官保盧斯上將並沒有發現。
11月19日和20日，蘇軍西南方麵軍和頓河方麵軍從綏拉菲摩維奇和克列茨卡亞一線，斯大林格勒方麵軍從薩爾帕湖一帶，先後發起反攻。11月23日，蘇軍兩支反攻部隊在卡拉奇以東的蘇維埃茨基會師，合圍了德軍第6集團軍全部和坦克第4集團軍一部，加上仆從國軍隊，共22個師、160個獨立單位，總計約33萬人。從此，會戰進入最後的決定性階段。
希特勒為援救被圍德軍集團，在科捷利尼科夫斯基和托爾莫辛臨時組成2個突擊集團，命它們立即北上和西進，以解第6集團軍之圍。12月12日，德軍科捷利尼科夫斯基集團沿鐵路北上，途中遭到蘇軍的頑強阻擊；22日，該集團進至梅什科瓦河，但此時其後方已受到嚴重威脅，被迫於次日南撤。24日，蘇軍從梅什科瓦河一線發起進攻，德軍的2個突擊集團都被逼退。
希特勒解救被圍德軍的計劃宣告破產。
由於補給不繼，彈快盡，糧已絕，被圍德軍司令官保盧斯多次發電告急，請求希特勒允許他率部突圍。希特勒一再固執己見，嚴令保盧斯“死守待援”，不準放棄現有陣地。
1943年1月10日，蘇軍正式開始殲滅被圍德軍的作戰。總攻開始時，5000門火炮一齊轟擊，德軍的陣地變成了一片火海。蘇軍從四麵發起衝擊，喊殺聲驚天動地。被圍德軍節節敗退。6天之內，德軍的陣地不斷丟棄，合圍圈縮小了一大半。1月24日，在蘇軍南北對進的夾擊下，德軍又被分割，成為兩個孤立集團，最後龜縮在越來越小的“地獄”裏。戰鬥到2月2日，殘存的德軍9萬餘人，其中包括元帥1名、將軍22名、軍官2500名，終於繳械投降。斯大林格勒會戰以蘇軍的勝利而結束。