1942年12月12日，曼施泰因元帅怀着沉重的心情，发起了代号为“冬季风暴”的反攻。德军以霍特第4装甲集团军为先导，于1942年12月16日突破了苏联红军第51集团军在阿克赛河上的防线。至1942年12月19日，第4装甲集团军所属的第57装甲军已突进到离南面包围圈30英里以内的地方。此时，曼施泰因发现自己也有被数倍于己的苏联红军包围的危险。于是，他决定不顾希特勒的将令，下令保卢斯立即向南突围与第4装甲集团军会合。然而保卢斯在没有接到希特勒的直接命令之前，没有突围的意图，他以燃料不足为由拒绝了曼施泰因的命令，放弃了这最后一次机会。
曼施泰因的“冬季风暴”宣告失败。当时温度已降到零下45摄氏度。伏尔加河面的冰层逐渐变厚，因此苏联红军可以更加便利地补给己方部队。而包围圈中的德第6集团军的空运补给越来越少，平均每天不到100吨。德第6集团军濒于弹尽粮绝的境地。口粮的分配已减到了能够维持生活的标准之下；炮兵的弹药开始感到缺乏；医药品和燃料都已经用尽；数千人患上伤寒和痢疾，而冻伤的人就更多，每天都有数千名士兵死于饥饿、严寒和营养失调。一些军官试图说服保卢斯不顾希特勒的命令而迅速突围。但是保卢斯害怕背上违抗军令的罪名，因此坚持按兵不动。
1943年1月8日，苏顿河方面军司令员罗科索夫中将向德第6集团军司令保卢斯上将发出最后通牒，敦促其投降。保卢斯电告希特勒，要求准予他相机行事，被驳回。10日，罗科索夫斯基的顿河方面军向被围的德第6集团军发起了代号为“指环”的进攻，深陷重围的德军开始从斯大林格勒郊区向城区收缩防守。希特勒授予保卢斯德国陆军元帅节杖，以鼓励其继续抵抗下去。他对约德尔说：“在德国历史上，还从来没有元帅被生俘的。”希特勒也希望保卢斯能够战斗到底或自杀殉国。
而保卢斯没有让他如愿，他选择了投降。天王星行动将200，000至250，000名德军士兵围困在一个由东至西50千米(31英里)和由南到北40千米(25英里)的包围圈里。包围圈内的部队包括德国第6军团所属的4个步兵军、1个隶属第4装甲军团的装甲军、2个罗马尼亚师的残部、1个克罗地亚步兵团及其它特别单位，被围困的装备有大约140辆坦克、2，000门火炮或迫击炮及10，000辆军车。向斯大林格勒撤退的路上扔满了钢盔、武器及其它装备，而被破坏的重型装备亦被遗弃在路旁。横跨顿河的桥梁拥堵不堪，生还的轴心国士兵在寒冷的冬天中匆忙地向东撤退，以免被苏军坦克和步兵拦截在斯大林格勒城外。很多受伤的轴心国士兵被踩踏，不少试图越过冰面过河的士兵也落入河中淹死。饥饿的士兵扫荡苏联的村庄找寻物资，军用后勤站也常常遭到抢掠。
这次苏军获得了巨大的胜利。斯大林格勒战役都是二战中甚至人类战争史上最为惨烈的战役之一。整个战役持续199天。由于战役规模太大，伤亡者人数始终无法得到准确统计。在战役最后阶段，德军仍然对苏联红军造成了沉重的打击，同时，苏联红军也几乎消灭了德军第6集团军全部和第4装甲集团军部分，有21个德国师的番号被从序列表中消去，另有大量直属部队被消灭。