1942年春至1942年7月，苏军在哈尔科夫战役和克里木战役中的失利，使德军凭借其在西南方向的优势兵力向斯大林格勒方向和高加索方向迅速发展进攻。苏军在抵抗失败后，忍痛放弃了在经济上和战略上都具有重要意义的南部地区，退至伏尔加河和高加索山前地带。德军于7月中旬以前前出到顿河大弯曲部，威逼斯大林格勒附近的伏尔加河。于是，一次规模宏大的决定性会战，斯大林格勒保卫战拉开了帷幕。
斯大林格勒位于伏尔加河下游西岸、顿河大弯曲部以东约60公里处，是苏联欧洲部分东南部的政治、经济和文化中心，铁路和内河运输枢纽、欧亚两洲的咽喉，也是苏联重要的军事工业基地，在军事上具有重要的战略意义。战前人口约60万。斯大林格勒以西、以南为广阔的顿河下游地区、库尔班河流域和高加索，这些地区是苏联粮食、石油和煤炭的主要产区。
苏军士兵冒着炮火出击1941年乌克兰被德军占领后，斯大林格勒便成为苏联中央地区通往南方重要区域的唯一交通线的咽喉，战略地位更趋重要。斯大林格勒市区沿伏尔加河西岸延伸，呈狭长形，地势起伏不平，市内有许多高大建筑。城西近郊地势较高，城东河岸陡峭，城南多长条形湖泊。市区附近的伏尔加河河宽1～2公里，水深3～24米。
德军的战略企图是：集中主力于苏德战场南翼，迅速攻占高加索和斯大林格勒，占领巴库和伏尔加河下游地区，夺取丰富的石油资源、粮食和工业设施，尔后北取莫斯科，南出波斯湾。德军最初将主力集中在高加索方向，企图首先以斯大林格勒方向上的进攻行动保障对高加索的突击。
德A集团军群越向高加索推进，斯大林格勒地域的战斗对其后方的威胁也越大。陷入斯大林格勒的作战后，德军甚至想作短时间的摆脱都不可能，哪怕想在这里转入防御也不行了。对德军来说，摆脱当前困境的唯一出路就是，击溃苏军，夺取斯大林格勒地域。不解决这两个问题，要想稳定南方法西斯德军的整个战略战线，尤其是保障高加索方向，是不可能的。
由于防守斯大林格勒方向的苏军顽强作战，打乱了希特勒的计划，迫使其将主力转移至斯大林格勒方向进行决战，从而使这一方向很快就从辅助的地位变成了整个苏德战场上具有决定意义的方向。
苏军最高统帅部正确分析了形势，决心在苏德战场南翼组织坚强防御，阻止德军进攻，坚守斯大林格勒，逐步消耗德军突击集团，为组训和调遣预备队赢得必要的时间，在条件具备时，即转入反攻，以歼灭德军重兵集团，扭转整个苏德战场的形势。
德军统帅部最初指定由B集团军群的第6集团军和第4装甲集团军担任斯大林格勒方向的突击任务。但是，当B集团军群前出到顿河大弯曲部后，希特勒认为斯大林格勒方向无须用那么多兵力，遂命令第4装甲集团军从斯大林格勒方向南下，转隶A集团军群，以便向罗斯托夫发展进攻。为使第6集团军集中最大限度的兵力进攻斯大林格勒，又向B集团军群调拨了意大利第8集团军，该集团军前出到顿河沿岸，在顿河西岸的巴甫洛夫斯克至韦辛斯卡亚地段展开。在斯大林格勒方向担任空中支援任务的是得到德军第8航空军加强的第4航空队部分兵力。这样，截至7月17日，在斯大林格勒方向进攻的德军部队计有实力较强的德军第6集团军的14个师（约27万人）、3000门火炮和迫击炮、近500辆坦克和1200架飞机。
为了建立新的防线，苏军从纵深前出后，从行进间就地占领了没有构筑防御设施的阵地。斯大林格勒方向的大多数部队都是新建部队，又非常缺乏歼击航空兵、反坦克和防空火器，许多师弹药不足。
鉴于斯大林格勒方向所形成的独立性和双方在这里已集结大量兵力，为便于统一指挥防御部队抗击德军进攻，苏军最高统帅部遂于7月12日决定在西南方面军原有基础上组建斯大林格勒方面军，担负斯大林格勒方向的防御任务。铁木辛哥元帅被任命为方面军司令员（7月22日起，方面军司令员改为戈尔多夫中将）。
实际上，到7月17日，在德军第6集团军当面对峙的主要是苏军第62、第63集团军的12个师约16万人、2200门火炮和迫击炮、约400辆坦克和454架飞机。此外，苏军远程轰炸航空兵和国土防空军歼击航空兵可提供一定的空中支援。
斯大林格勒方面军的任务是：（1）固守巴甫洛夫斯克至上库尔莫亚尔斯卡亚一线，阻止德军向伏尔加河推进，消耗、削弱德军的有生力量；（2）坚决守住斯大林格勒，钳制德军突击集团主力，为尔后转入反攻歼灭德军重兵集团创造条件。鉴于要以有限兵力防守很长的防线，方面军决心集中主力于左翼的顿河大弯曲部，并掌握强大的战役预备队，准备适时向西南和西方实施强大的反突击，粉碎德军进攻。
为了保卫斯大林格勒及其市区，苏军在顿河与伏尔加河之间还构筑了4道防御地带（防御围廓），即外层围廓、中层围廓、内层围廓和市区围廓。会战开始前，尽管这些围廓的工程仅完成40%至50%，但仍对城市防御起到不小的作用。18万余名斯大林格勒居民参加了防御围廊和方面军机场的修建。
斯大林格勒城防委员会和州党委，采取多种措施加强民兵和城市消防，组织了由工人、农民组成的许多民兵营。
苏军统帅部采取的措施，改善了斯大林格勒方向的形势，消除了德军突然冲至伏尔加河的威胁。
为攻占斯大林格勒，德军第6集团军司令决定：对斯大林格勒市中心实施两路突击，即以4个师的兵力从亚历山大罗夫斯克地域向东，以3个师的兵力从萨多瓦亚车站地域向东北，分别实施突击，分割苏军防线。斯大林格勒西北和以南的其余德军部队，则采取牵制行动。
截至9月12日，苏军斯大林格勒方面军有6个集团军防守从巴甫洛夫斯克到耶尔佐夫卡一线；东南方面军有4个集团军防守斯大林格勒市区和南部的湖泊地带。
9月13日，德军第6集团军开始对市区中部大举进攻。从9月13日到26日，德军向市中心的第62集团军所属部队反复发动冲击。9月14日，德军进攻马马耶夫岗和及号火车站，在不到4公里宽的正面集中了4个师。1号火车站的争夺持续一周之久，反复易手13次。截至26日，德军以惨重代价在一个宽约10公里的地段击退苏军，占领了市中心区一部和城市南部，从库波罗斯诺耶地域前出到伏尔加河岸，切断了苏军第62集团军与第64集团军的联系。
9月28日，斯大林格勒方面军改称顿河方面军，东南方面军改称斯大林格勒方面军。
10月27日，经补充后的德军开始发动第二次大规模强攻，主要突击指向在北部工厂区和奥尔洛夫卡地域防御的苏军部队。结果，双方在这里形成胶着状态，展开了反复争夺战。10月14日和11月11日，德军先后攻占了拖拉机厂和“街垒”工厂南部，并从这两处突至伏尔加河河岸。苏军第62集团军被分割成3个孤立部分，但在市区仍固守着3个登陆场，面积分别为14平方公里、1.28平方公里和1平方公里。第62集团军依托这3块被分割的阵地，顽强死守，阻止德军进攻，一直坚持到防御战结束。
德军为攻占斯大林格勒，仅10月份就向斯大林格勒地域增调约20万人、近90个炮兵营（5万人和1000多门火炮）、约40个受过专门攻城训练的工兵营。在苏军第62集团军的防御正面上，德军主要突击兵团达8个师，约9万人，并配备有300余辆坦克。德军不但实施猛烈的地面进攻，而且对斯大林格勒进行了大规模空袭。在市区争夺的67天中，德军共出动飞机7万余架次，平均每昼夜1000至1500架次以上。苏军航空兵在市区战斗期间，共出动飞机4.5万余架次，平均每昼夜670余架次。
苏军为增加城防兵力，确保第62集团军不断得到新锐部队补充，以便长久地与德军反复争夺，从9月14日至10月16日的33天中，陆续向市区增派了10个步兵师、2个坦克师和1个步兵旅。伏尔加河区舰队在从伏尔加河东岸向斯大林格勒运送人员、弹药和粮食方面发挥了重要作用。区舰队的舰艇经常在德军炮兵和航空兵的袭击下渡过伏尔加河，把数万名战士和数万吨物资送到斯大林格勒。区舰队的渡河拖船、渡轮和装甲艇，在保卫斯大林格勒市期间，共完成约3.5万次航行。
9月中旬至10月4日，苏军先后在城北以及城南湖泊之间阵地发起反攻，迫使德军不断从突击斯大林格勒的部队抽调兵力应付苏军的这些突击。为减轻德军对斯大林格勒市区的压力，苏军顿河方面军突击队于10月19日从斯大林格勒以北转入进攻。10月25日，第64集团军也从南边对德军侧翼实施反突击。这一系列攻势行动有效地改善了第62集团军的困难处境。朱可夫元帅在其回忆录中指出：斯大林格勒以北苏军地面部队和航空兵的作战行动，对第62、第64集团军固守斯大林格勒给予了不可估量的帮助。
到1942年11月18日，斯大林格勒会战的防御阶段共持续4个月。德军先后调来50多个师的兵力，但始终未能实现其战略企图。德军在夺取斯大林格勒的作战中遭受巨大损失，死伤近70万人，损失火炮和迫击炮2000多门、坦克和强击炮1000多辆、战斗机和运输机1400多架。德军完全被苏军钳制在斯大林格勒城下，陷入被苏军半包围的态势。在这种形势下，苏军已悄悄地完成大反攻的准备。
苏军最高统帅部规定了1942年底至1943年初的战略任务：彻底改变苏德战争进程，解放南方重要工农业地区，粉碎德军对列宁格勒的封锁，稳定莫斯科—斯摩棱斯克方向。鉴于德军并未耗尽其全部进攻力量，苏军最高统帅部决定逐次消灭德军集团，首先消灭伏尔加河与顿河之间的德军重兵集团，进而击溃德军在南翼的全部军队。
苏军大本营和总参谋部从1942年9月起即开始拟制由3个方面军实施的围歼斯大林格勒地域德军的反攻计划。11月13日，苏军统帅部批准代号为“飓风”的反攻计划。计划总企图是，利用苏军对德军第6集团军和第4装甲集团军所形成的有利包围态势，以3个方面军对德军两翼实施突击，合围德军，尔后消灭伏尔加河与顿河之间的德军主力。
截至反攻开始前，苏军在斯大林格勒方向共展开3个方面军：即西南方面军、斯大林格勒方面军和顿河方面军，总兵力达110余万人，火炮和迫击炮1万5500门，坦克1500辆，作战飞机1300余架。
转入反攻的日期规定为：西南方面军和顿河方面军11月19日，斯大林格勒方面军11月20日。这是因为，各方面军突击集团必须同时抵达卡拉奇和苏维埃茨基地域。西南方面军的突击集团应在3昼夜内向前推进110至140公里，斯大林格勒方面军应在2昼夜内向前推进90公里。
为了牵制苏德战场其他地段的德军，使德军不能在苏军反攻期间向斯大林格勒方向调遣兵力，苏军最高统帅部决定于11月下半月和12月，以加里宁方面军部分兵力在大卢基方向展开进攻，以西方面军的军队在加里宁方面军部队协同下，对尔热夫和维亚兹马的德军实施突击，以外高加索方面军的军队向莫兹多克方向进攻。
11月19日拂晓，在持续80分钟的炮火准备后，苏军西南方面军以及顿河方面军右翼部队开始突击，揭开了反攻的序幕。苏军主要突击首先指向战斗力较弱的罗马尼亚第3集团军。在苏军第5坦克集团军和第21集团军突破罗马尼亚军队防御后，配置在罗军后方的德军企图以强大的反突击阻止苏军前进，但被苏军粉碎。在达成对罗马尼亚第3集团军的突破后，苏军即快速向纵深推进。到日终时，进入突破口的苏军各部队已向德军纵深推进30～35公里，并继续向卡拉奇推进。作战第一天，苏军顿河方面军只有第65集团军参战。该集团军切断了德军从顿河小弯曲部向西的退路，楔入德军防御纵深3～5公里。11月23日，西南方面军所属第5坦克集团军第26坦克军和第21集团军的第4坦克军，攻占了顿河东岸重要支撑点卡拉奇。11月24日，西南方面军围歼了被围在拉斯波品斯卡亚地域的罗马尼亚集团。
11月20日，斯大林格勒方面军第51、第57集团军以及第64集团军左翼部队在斯大林格勒以南转入反攻，当日突破德军防御。第51集团军的第4机械化军，于11月22日前出到苏维埃茨基。23日，该机械化军与西南方面军第4坦克军在卡拉奇和苏维埃茨基会合，合围了斯大林格勒附近德军集团的基本兵力（德军第6集团军以及第4装甲集团军一部），共计22个师，约33万人。苏军很快构成了绵亘的合围对内正面。11月24日，顿河方面军和斯大林格勒方面军向被围在斯大林格勒附近的德军集团展开进攻。
为加强合围对外正面上的兵力，苏军开始调整部署。从11月24日到30日，苏军航空兵在斯大林格勒地域共出动飞机5760余架次，平均每昼夜824架次，比德军出动架次多4倍，并取得了制空权。到11月30日日终前，德军被压缩在方圆不到1500平方公里（东西40公里，南北30至40公里）的地域内。在此期间，苏军西南方面军和斯大林格勒方面军成功地击退了德军新建的“霍利德”战役集群的突击，并沿克里瓦亚河、奇尔河、顿河、科捷尔尼科沃以北之线组成了宽达500余公里的合围的对外正面。
苏军统帅部企图于12月初即对被围德军进行割裂、歼灭，由于准备不够充分，加之德军收缩了战斗队形，并利用了苏军1942年夏季构筑的工事，2个方面军围歼德军的企图没有成功。因此，苏军最高统帅部命令合围对内正面的苏军暂停进攻，着手进行进一步的周密准备。
德军统帅部为解救其被围集团和恢复斯大林格勒附近的原有态势，决定在科捷尔尼科沃和托尔莫辛地域集结新锐部队，并向斯大林格勒实施突击，突破苏军合围的对外正面，解救其第6集团军和第4坦克集团军，然后恢复顿河防线。
为此，德军统帅部于11月初将在合围圈对外正面作战的德军改编为顿河集团军群（司令为曼施泰因元帅），并从德、法和苏德战场其他方向抽调部队加强该集群。顿河集团军群下辖“霍利德”战役集群（由德军第17军及5个德军师、5个罗马尼亚师编成）、罗马尼亚第3集团军残部、“霍特”战役集群（由重新组建的德军第4装甲集团军和罗马尼亚第4集团军组成）。被围在斯大林格勒附近的德军第6集团军名义上也归顿河集团军群指挥，但实际上由希特勒直接控制。顿河集团军群司令部是在德中央集团军群第11集团军司令部基础上建立的。
顿河集团军群在韦慎斯卡亚至马内奇河的600公里战线上共展开30个师（不包括被围困在斯大林格勒附近的集团），其中有6个装甲师和1个机械化师。这些部队严重缺员，战斗力很差。苏军攻占卡拉奇以后，切断了德军向斯大林格勒地域被围部队运送补给的主要通路，德第6集团军唯有依赖空运勉强维持。但希特勒仍下令第6集团军死守斯大林格勒，不得撤退。
在希特勒的严令下，德军计划从托尔莫辛地域和科捷尔尼科沃地域这两个方向对苏军实施突击，但由于缺少足够的预备队同时组建2个突击集团，以及苏军在合围对外正面的积极作战，德军无法实现这一意图。于是，12月12日，德军“霍特”集群不待托尔莫辛突击集团集结完毕，就沿科捷尔尼科沃通往斯大林格勒的铁路转入进攻，突击沿140公里正面上防守的苏军第51集团军，企图解救被围困在斯大林格勒附近的德军集团。前2天的进攻，德军在一个狭小地段上突破苏军防御，并楔入纵深40公里。
苏军最高统帅部决定，斯大林格勒方面军先实施防御，粉碎德军增援，尔后再歼灭被围之敌。
斯大林格勒方面军迅速将兵力、兵器从合围的对内正面向合围的对外正面机动，以第57集团军第13坦克军以及方面军预备队的1个步兵师和1个坦克旅加强第51集团军，又将统帅部预备队第5突击集团军的3个步兵师调至梅什科瓦河北岸设防。
苏军积极而顽强的防御，消耗了德军科捷尔尼科沃集团，并将其阻止在梅什科瓦河畔。
为迅速消灭德军科捷尔尼科沃集团，苏军最高统帅部从预备队中抽调近卫第2集团军（原定用于消灭被围德军集团，属顿河方面军编成），配属给斯大林格勒方面军。
12月19日，德军增调1个装甲师后再度发起攻击。23日前，德军第4装甲集团军的第57装甲军进抵梅什科瓦河，一度与被围德军集团相距不到40公里。德军在进攻中付出了沉重代价。
12月24日，斯大林格勒方面军转入反攻。计划规定：近卫第2集团军向科捷尔尼科沃实施主要突击，第51集团军以其右翼从斯大林格勒—科捷尔尼科沃铁路实施突击，第5突击集团军沿顿河西岸向南实施突击。
12月29日，苏军攻占科捷尔尼科沃，德军向西和西南方向退却。至12月底，苏军歼灭了罗马尼亚第4集团军，并重创德军第4装甲集团军的第57装甲军，将德军击退到距斯大林格勒200公里远的集莫尼基地域。这次作战的成功，粉碎了德军科捷尔尼尔科沃集团解救被围德军的计划，也为尔后向罗斯托夫方面发展进攻创造了有利条件。
另外，苏军在托尔莫辛方向也采取了积极行动。西南方面军12月初的原计划是在顿河中游实施进攻战役，并向米列罗沃、罗斯托夫方向发展进攻。根据德军12月12日从科捷尔尼科沃地域发起进攻等新的情况，苏军最高统帅部对原计划做了一些修改，于13日决定：西南方面军放弃向罗斯托夫的深远突击，从上马蒙地区不再向南，而改向东南，向下阿斯塔霍夫方向实施主要突击，以歼灭德军顿河集团军群。当前任务是以近卫第1、第3集团军围歼意大利第8集团军和“霍利德”战役集群的部队，尔后进攻莫罗佐夫斯克。沃罗涅日方面军的第6集团军从西面保障西南方面军突击集团的进攻，为此，应从上马蒙以西地域向坎捷米罗夫卡总方向实施突击。
12月16日拂晓，西南方面军和沃罗涅日方面军突击集团同时发起进攻。为尽快突破德军防御，苏军近卫第1集团军和第6集团军所属各坦克军第一天即全部投入了战斗。17日，近卫第3集团军的机械化军也投入战斗。经3天激战，苏军在5个方向上突破了德军防御，德军200公里的防御正面被分割成4个孤立的地段。在苏军从后方和翼侧的突击下，意军和德军向南方和西南方向退却。苏军近卫第1集团军和第6集团军所属各坦克军，以及近卫第3集团军的1个机械化军，一面歼灭德军退却纵队和后方机关，一面迅猛向南和东南发展进攻。12月24日，苏军近卫第1集团军坦克第24军出敌不意地楔入塔钦斯卡亚，夺占了德军向斯大林格勒实施空运的机场，以及300余架军用飞机和后勤仓库。这一举措，使德军失去了空运补给基地，同时也切断了德军运送补给和部队的唯一铁路交通线。
21日至24日，苏军突击集团各部队协同作战，在麦什科夫斯基卡亚地域合围并歼灭意大利第8集团军主力。12月底，西南方面军已推进100至200公里，抵达新卡利特瓦、马尔科夫卡、米列罗沃、伊林卡、莫罗佐夫斯克、奥勃利夫斯卡亚一线，并在此设防固守。至此，德军托尔莫辛集团基本被歼。苏军西南方面军和沃罗涅日方面军的任务遂告完成。此次胜利，不仅粉碎了德军从顿河中游解救被围在斯大林格勒附近德军集团的企图，也削弱了德军从科捷尔尼科沃方向对斯大林格勒方面军的压力，并为苏军尔后向伏罗希洛夫格勒和沃罗涅日实施进攻创造了有利条件。
至1943年1月初，斯大林格勒地区的合围对外正面已向前推移200至250公里，被围德军人数已从33万减员到25万，近8万人已在战斗中被歼或被俘。被围德军所占地区受到苏军炮火控制。弹药、油料和粮食储备已消耗殆尽。苏军航空兵还对合围地域进行了空中封锁，粉碎了德军向被围部队空投补给的企图。被围德军的覆灭已成定局。
早在1942年12月底，苏军最高统帅部就制定了歼灭德军第6集团军的进攻作战计划，代号为“指环”，由得到加强的苏军顿河方面军负责实施。
在斯大林格勒会战中，有9.1万名德军官兵被俘，图为部分德军俘虏。1943年1月8日，苏军向被围德军发出最后通牒，敦促其停止抵抗，缴械投降，遭到德军拒绝。1月10日拂晓，顿河方面军经炮火准备后发起进攻。尽管德军进行了顽强抵抗，方面军突击集团仍于日终前在许多地段突破德军防御，向纵深推进6～8公里。在发展进攻过程中，苏军于1月12日夺取了马里诺夫卡突出部，消灭该地德军近3个师。1月25日，苏军楔入斯大林格勒西郊。1月26日日终，分别由东西两个方向进攻的苏军第26集团军和第21集团军在红色十月新村、马马耶夫岗地域会师，将德军分割成南、北两个部分。德军南部集群被压缩在市中心，北部集群被压缩在拖拉机工厂和“街垒”工厂区。1月27至31日，苏军对德军南、北两个集群实施了突击。德军战斗力已急剧降低，开始大批投降。1月31日，德军南部集群停止抵抗，刚被希特勒提升为元帅的德军第6集团军司令保卢斯及其参谋长被俘。2月2日，在苏军炮火猛烈袭击下，德军北部集群也被迫停止抵抗。苏军顿河方面军最终完成了歼灭斯大林格勒被围德军集团的任务，斯大林格勒会战至此全部结束。在“指环”战役中，苏军顿河方面军各部队共俘敌9.1万余人，其中包括保卢斯陆军元帅在内的2500余名军官和24名将军。在各战场则收集了约14万具被击毙德军官兵尸体。
在斯大林格勒反攻作战过程中，苏军共消灭德军第6集团军、第4装甲集团军、罗马尼亚第3～第4集团军和意大利第8集团军。德军一方共损失32个师和3个旅，另有16个师遭重创，损失人员80余万、坦克和强击火炮近2000辆、火炮和迫击炮1万余门、作战和运输飞机约3000多架，以及汽车7万多辆。苏军把德军从伏尔加河和顿河打退几百公里。
在200个日日夜夜的斯大林格勒会战中，苏联军民充分表现了大无畏的英勇气慨，进行了艰苦卓绝的顽强作战，计损失113万人，终于取得了辉煌的胜利。德军在整个会战中，总共损失150万人，占其当时在苏德战场作战总兵力的1/4.德国由于斯大林格勒会战的惨败，宣布致哀3天。
斯大林格勒会战结束后，从南到北的苏军各个方向的反击作战也频频告捷：列宁格勒、顿河流域、北高加索等地的德军先后败退。
斯大林格勒会战的胜利，大大提高了苏联的国际地位，扩大了社会主义制度的影响，巩固和扩大了国际反法西斯统一战线，进一步坚定了世界人民共同打败法西斯集团的信心，促进了世界反法西斯斗争的新高潮。1942至1943年，苏联同澳大利亚、古巴、埃及、哥伦比亚、埃塞俄比亚等许多国家建立了外交关系，还同卢森堡、墨西哥和乌拉圭先后恢复了外交关系。会战的胜利，促进了在反法西斯同盟国团结合作道路上具有重要意义的苏美英三国首脑第一次会议——德黑兰会议的召开。