當德軍最高統帥部接到蘇軍發起反攻的消息後，陸軍總參謀長蔡茨勒將軍力勸希特勒下令保盧斯撤出斯大林格勒。然而，空軍司令戈林元帥卻向希特勒保證說，他可以保證空軍有能力通過“空中橋梁”為第6集團軍的空中補給。事實證明德國空軍根本沒有提供如此大規模部隊的供給的運輸能力，其每天300噸的運輸上限也無法滿足每天700噸的需求。但希特勒仍然支持戈林的計劃，希特勒遂下令保盧斯必須堅守陣地，第6集團軍必須留在斯大林格勒，並命令他這個集團軍今後改稱“斯大林堡壘”集團軍。由於惡劣天氣和蘇軍防空火力，空投計劃很快就遭受失敗。據統計，德軍隻得到10%左右的所需物資，第6集團軍漸漸感受到饑餓與寒冷的威脅。另一麵，蘇軍在不斷加強對斯大林格勒的包圍圈，並開始縮小包圍圈的行動。
11月21日，希特勒下令將曼施泰因元帥的第11集團軍擴建為頓河集團軍群，由曼施泰因元帥任司令，並把保盧斯第6集團軍、霍特第4裝甲集團軍和羅馬利亞第3、第4集團軍交與他指揮。希特勒在命令中指示：“頓河集團軍群當前的任務，就是使敵軍的攻勢停頓，並奪回原已失去的陣地。”曼施泰因認為，德軍唯一成功的機會在於第6集團軍從斯大林格勒向西南突圍，霍特第4裝甲集團軍則從斯大林格勒以南的科捷爾尼科沃向東北進攻，夾擊葉廖緬科的斯大林格勒方麵軍，然後再旋轉過來攻擊圖瓦京的西南方麵軍的右翼。但11月30日，希特勒在一次公開演說中態度強硬的表示決不會從斯大林格勒撤退，並且再次強調被圍困的部隊決不能投降，而曼施泰因必須殺開一條血路，打到斯大林格勒。
12月12日，曼施泰因元帥懷著沉重的心情，發起了代號為“冬季風暴”的反攻。德軍以霍特第4裝甲集團軍為先導，於12月16日突破了蘇軍第51集團軍在阿克賽河上的防線。至12月19日，第4裝甲集團軍所屬的第57裝甲軍已突進到離南麵包圍圈30英裏以內的地方。此時，曼施泰因發現自己也有被數倍於己的蘇軍包圍的危險。於是，他決定不顧希特勒的將令，下令保盧斯立即向南突圍與第4裝甲集團軍會合。然而保盧斯在沒有接到希特勒的直接命令之前，沒有突圍的意圖，他以燃料不足為由拒絕了曼施泰因的命令，放棄了這最後一次機會。12月27日，蘇軍發動強大反擊將霍特第4裝甲集團軍擊退150～200公裏，終於使其退回了原來的陣地，迫使德軍統帥部最後放棄解救被圍集團的企圖。曼施泰因的“冬季風暴”宣告失敗。當時溫度已降到零下45攝氏度。伏爾加河麵的冰層逐漸變厚，因此蘇軍可以更加便利地補給己方部隊。而包圍圈中的德第6集團軍的空運補給越來越少，平均每天不到100噸。德第6集團軍瀕於彈盡糧絕的境地。口糧的分配已減到了能夠維持生活的標準之下；炮兵的彈藥開始感到缺乏；醫藥品和燃料都已經用盡；數千人患上傷寒和痢疾，而凍傷的人就更多，每天都有數千名士兵死於饑餓、嚴寒和營養失調。一些軍官試圖說服保盧斯不顧希特勒的命令而迅速突圍。但是保盧斯害怕背上違抗軍令的罪名，因此堅持按兵不動。12月29日，保盧斯派第14軍軍長胡比中將飛出包圍圈去晉見希特勒，把第6集團軍的情況當麵向元首彙報。但希特勒還是命令第6集團軍死守斯大林格勒，直到明年春天為止。同日，由於蔡茨勒的一再要求，希特勒終於同意把A集團軍群從高加索撤出。
1943年1月，蘇聯紅軍發起了又一輪攻勢，代號為“木星行動”，試圖突破頓河地區的意大利軍防線，並攻取羅斯托夫。如果這次行動成功，德軍南部集團軍的餘部將被完全圍困在高加索地區。蘇軍雖然始終未能接近羅斯托夫，但是這次行動迫使德軍與斯大林格勒包圍圈內的德軍相隔250公裏以上的距離。事實上，此時的第6集團軍已經完全失去了增援。
1月8日，蘇頓河方麵軍司令員羅科索夫斯基中將向德第6集團軍司令保盧斯上將發出最後通牒，敦促其投降。保盧斯電告希特勒，要求準予他相機行事，被駁回。10日，羅科索夫斯基的頓河方麵軍向被圍的德第6集團軍發起了代號為“指環”的進攻，深陷重圍的德軍開始從斯大林格勒郊區向城區收縮防守。1月22日，蘇軍占領了古門拉克機場，第6集團軍的空運補給完全運輸和傷員撤退行動的徹底中斷了。雖然食物和彈藥都極度匱乏，德軍仍然頑強抵抗，因為他們相信蘇聯人會處死投降的軍人。在斯大林格勒城中再次爆發了激烈的巷戰。相反，蘇聯人也被包圍圈中的德軍龐大的數量感到驚訝，因此繼續鞏固包圍圈。保盧斯向希特勒報告說：“部隊已不能支持了，繼續抵抗已毫無意義，請準允我們投降。”他得到的答複是：“投降是不可能的，第6集團軍應在斯大林格勒盡到其英勇的責任，直到最後一人為止。”曼施泰因力勸希特勒批準第6集團軍殘部投降，而希特勒向曼施泰因解釋說，不允許投降，“一來即使包圍圈中的德軍分成幾個較小的單位，也還可以抵抗相當長的時間；二來，俄國人根本不會遵守對第6集團軍投降後所許下的諾言。”
1月30日，希特勒授予保盧斯德國陸軍元帥軍銜，以鼓勵其繼續抵抗下去。他對約德爾說：“在德國曆史上，還從來沒有元帥被生俘的。”希特勒也希望保盧斯能夠戰鬥到底或自殺殉國。1月31日，保盧斯向總部發出最後一份電報：“第6集團軍忠於自己的誓言並認識到自己所負的極為重大的使命，為了元首和祖國，已堅守自己的崗位，打到最後一兵一卒，一槍一彈。”但是，當蘇軍攻入德軍設在百貨商場內的司令部時，保盧斯選擇了投降。同日，蘇軍第64集團軍的第38摩步旅打到了保盧斯的司令部，“第六集團軍無線電台即將關閉!俄軍已經攻占!打垮布爾什維克！萬歲！天佑德意誌!”1943年2月1日，被包圍的第六集團軍司令部發報員自己決定向柏林發出了最後一封感動德國人的著名電報，最後用國際電碼寫上“CL”，表示“本台停止發報”。蘇軍在地下室外叫第6集團軍司令部人員投降，第6集團軍參謀長施密特將軍接受了要求。施密特問保盧斯：“請問陸軍元帥，還有什麼話要說嗎？”保盧斯無話可說，隻好投降。1943年2月2日，被圍困在斯大林格勒城北的第11軍殘部也宣布投降。至此，斯大林格勒會戰結束。德第6集團軍司令保盧斯元帥，步兵第4軍軍長普費費爾中將、第51軍軍長庫爾茨巴赫中將、第295師師長科爾費斯少將等23位將官，2000名校級以下軍官和91000名極度饑餓勞累的德軍士兵被俘，約14萬人死亡，隻有3萬餘傷患者事先陸續空運撤出。
讓蘇軍大為驚喜並同時讓德軍極為失望的是，戰俘中包括22名將軍。希特勒對這位新陸軍元帥極為失望，並公開說：“保盧斯差一步就要跨入光榮的殿堂，但是他還是選擇了退卻。”目前沒有明確的證據表明日德戰俘受到嚴重的虐待導致大麵積死亡。但是，據統計降的91000名戰俘中，隻有6000名得以生還，並回到了故土。由於大多數士兵本身已經營養不良，缺乏醫治，加上紅軍將他們發配到蘇聯各地的戰俘營中進行強製勞動，使得大多數人死於過度勞累和營養不良。十幾位高級軍官被帶往莫斯科，用作蘇聯的政治宣傳工具。包括保盧斯在內的軍官們發表了反希特勒宣言，並向德軍部隊大肆宣傳。瓦爾特·馮·塞德利茨·庫爾茨巴赫將軍甚至提出從德軍戰俘中組建一支反希特勒軍隊，但是蘇聯沒有接受這個建議。直到1955年，這些高級戰俘才被遣送回國。
盡管在戰役結束前數星期，德國的官方媒體已經停止報導相關的有利消息，但德國民眾還是直到1943年1月底，才了解到在斯大林格勒發生的悲劇。這並不是德軍遭受的第一次打擊，但是這次失敗無論在規模還是在戰略意義上，都是其它戰役不可比擬的。2月18日，德國宣傳部長約瑟夫·戈培爾在柏林發表了演說，鼓動德國國民接受總體戰的理念，即利用全國的一切資源和力量來戰鬥到底。