為了迷惑敵人，朱可夫又實施了一係列漂亮的偽裝措施。10月中旬，當德軍的進攻陷於停頓之時，斯大林格勒前線各方麵軍接到命令，停止一切具有攻勢的作戰行動。這一命令中詳細地講述了如何安排冬季的防禦，如何構築工事，如何在支撐點儲備糧食、彈藥等。
與此同時，蘇軍正在秘密地把部隊不斷調往準備實施突擊的方向。德軍情報機關上當了，他們堅信蘇聯軍隊不會發動反擊。朱可夫以其高超的指揮藝術，使紅軍贏得了艱難的戰略主動。1942年11月19日7時30分，隆隆的炮聲宣告了西南方麵軍和頓河方麵軍進攻德軍的戰鬥正式打響。蘇軍大反攻的序幕拉開了。在斯大林格勒西北部，蘇軍西南方麵軍的3500門大炮直射德軍陣地，然後以坦克和機械化部隊為先導，突擊德軍的薄弱陣地。麵對蘇軍強大的攻擊壓力，德軍陸軍參謀長建議從斯大林格勒撤軍，加強後方，鞏固前方，然後進攻發動突擊的蘇軍。但剛愎自用的希特勒聽到撤軍的建議暴跳如雷，駁回了德軍陸軍參謀長的建議。德國納粹元首的頑固，給了朱可夫實施其戰略計劃的絕好機會。經過十餘天的激戰，至11月30日，蘇軍已完成了對德軍共22個師33萬人的合圍，將其壓縮在1500平方千米的範圍內。麵對合圍數量如此之大的德軍，斯大林十分擔心德軍發起突圍反攻，蘇軍會支持不住。
朱可夫再次分析了戰爭態勢。他認為以德軍目前現狀，是不會輕易冒險突圍的。但是如果有其他軍團的輔助突圍，情況就不好說了。當前最緊迫的是防止其他地域德軍的支援，主要是防止德軍頓河集團軍前來解圍。
就在蘇軍分析怎樣消滅德軍的同時，德軍也在積極想辦法解圍。曼施坦因元帥計劃由德頓河集團軍群的主要兵力發動進攻，支援第六集團軍和第四集團軍，另外，秘密派坦克師來支援。
曼施坦因元帥得意地把這一作戰計劃命名為“冬季風暴”，妄圖以此摧毀蘇軍的包圍。可惜他的計劃與朱可夫的分析如出一轍，朱可夫已經對此做了精心的準備，設計了整套“包圍打援”方案，不僅打退了前來支援的德軍，還將包圍的德國壓縮在更小的範圍之內。
德第六集團軍對自己的處境非常清楚，一再請求希特勒準許他們突圍。但不甘心失敗的希特勒卻要求他們繼續死守。他給部下打氣說，隻要堅守到明年春天，德軍就可以展開新的攻勢。
希特勒的剛愎自用為朱可夫實現戰役目的創造了極其有利的條件，也為德國第六集團軍的徹底滅亡挖掘了墳墓。
1943年1月10日，蘇軍以5000門大炮轟擊包圍圈內的德軍，隨後坦克和步兵發起迅猛的衝鋒。
德軍由退卻變成了無目的的逃跑，沿途丟下成千上萬的屍體。不到6天，德軍的陣地又縮小了一半。1月24日，德軍元帥保盧斯再次電請希特勒允許立即投降，但是他得到的仍然是“不許投降”，要死守陣地，“直至最後一兵、一卒、一槍、一彈”的命令。
至1月25日，德軍被擊斃、擊傷和被俘者已超過了10萬人。蘇軍又把包圍圈縮小到南北長20千米、東西寬3500米的地段上。
2月2日，被圍德軍全部被殲滅，曆時200天的斯大林格勒大會戰以蘇聯紅軍的英勇勝利而告終。斯大林格勒會戰是蘇德戰爭的轉折點，也是第二次世界大戰的轉折點。從此，蘇軍開始進入戰略反攻階段，德軍則走向滅亡。
朱可夫因在蘇德戰爭中的卓越功勳，被授予蘇沃洛夫一級勳章，勳章後麵標有“第一號”的字樣。
斯大林格勒會戰的勝利吹響了蘇軍戰略進攻的號角。在1942年至1943年之交的秋季戰役中，蘇軍共消滅了德軍100多個師，迫使德軍在整條戰線上後退了600千米。