为了在斯大林格勒前线战胜德军精锐部队—保卢斯领导的第6集团军，具体指挥和协调斯大林格勒前线的作战行动，此间朱可夫则频繁地来往于斯大林格勒与莫斯科两地。为了保证他的安全，统帅部要求给朱可夫派护航战斗机，以防止在空中被敌机袭击遭遇不测，但朱可夫拒不接受，他的理由是：“不能为我浪费昂贵的汽油。”结果，虽然敌机没有碰上，但有几次险些发生意外。

　　一次是因为天气寒冷，致使飞机结了冰，被迫临时迫降。还有一次在飞越莫斯科上空时，因能见度差，朱可夫的座机险些撞上地面的一个大烟囱。在紧急关头，朱可夫总是这样置个人安危于不顾。

　　10月初，苏军6个满员师跨过顿河进入斯大林格勒，补充进第62集团军。第62集团军经过前一段的激烈战斗，伤亡严重，用朱可夫的话讲：“除了后勤部队和司令部外，已经不剩什么了。”与此同时，罗科索夫斯基的顿河方面军也得到了加强。

　　就在这时，希特勒为集中力量拿下斯大林格勒，命令：除在斯大林格勒外，整个苏德战场转入战略防御。

　　德军又开始了第三次进攻斯大林格勒，企图通过这次攻击来夺取决定性的胜利。德军的进攻，最后进至伏尔加河，在约5公里宽的地段上，集中了2个坦克师、3个步兵师，出现了2000架次飞机作为支援轰炸市区。战斗空前激烈，仅朱可夫的司令部里就有61人牺牲。

　　10月15日，德军突破防线攻占了拖拉机厂，冲到了伏尔加河边。17日，苏军第138师赶来增援工厂区的战斗。苏军的顽强抵抗，大大地杀伤了德军，终于迫使德军减弱了进攻的势头。

　　10月17日，苏第62集团军司令部和军事委员会带着文件和指挥器材离开了掩蔽部，到伏尔加河以南约1公里没有任何掩蔽的露天河岸上进行指挥。这里距前沿阵地马马耶夫高地只有1公里。

　　在以后的一段时间里，德军又连续发动了多次进攻，但并没有取得多大的进展。到10月29日晚，战斗开始平静下来，第二天只有零星的交火。在苏军顽强地抵抗下，德第6集团军终于无力进行大规模的进攻了。

　　11月11日，德军重新集结力量，发动了最后一次进攻，动用了5个步兵师、2个坦克师和2个工兵营在宽5公里的正面上对斯大林格勒发起第四次强攻。一天之内，双方为争夺每一寸土地、每一块石砖，都进行了异常激烈的战斗。苏第62集团军虽然再次被德军分割成三部分，但仍然坚守阵地牵制着德军。苏军在伏尔加河右岸坚守住了自己的阵地，这就为即将进行的反攻准备了先决条件。

　　早在10月初，最高统帅部就正式批准了朱可夫和华西列夫斯基签署的反攻计划，代号为“天王星”。

　　“天王星”战役计划规定，苏军从斯大林格勒西北部和南部向卡拉季奇方向进行向心突击，合围那里的德第6集团军和第4集团军。

　　根据反攻计划，苏军不断地把部队调往准备实施突击的方向。为了迷惑敌人，在朱可夫的指挥下，苏军采取了一系列的伪装措施。

　　10月中旬，当德军的进攻陷于停顿之时，斯大林格勒前线各方面军接到命令，停止一切具有攻势的作战行动。这一命令通过未加密线路发布，同时命令中详细地讲述了如何安排冬季的防御、如何构筑工事、如何在支撑点储备给养、弹药、装备等。与此同时，苏军在莫斯科西部方向做出准备采取大规模冬季进攻战役的架势。

　　德国情报机关上钩了。

　　苏军源源不断地开往斯大林格勒前线。到1942年11月19日，苏军完成了集结。这时，苏军在斯大林格勒前线已有3个方面军：顿河方面军、斯大林格勒方面军和西南方面军。三个方面军的总兵力达到110万人，1.5万门大炮，1400余辆坦克和1400架飞机。而在斯大林格勒方面作战的德国军队有101万人，1万余门大炮，600余辆坦克和1200架飞机。

　　苏德两军的军力对比发生了变化。苏军在坦克和火炮上占有优势。但是，决定战役命运是指挥员的指挥艺术和前线官兵的战斗技能。

　　苏最高统帅部考虑到交通线的重要，首先恢复已被德军破坏的铁路、桥梁、车站，并修建了新的交通线。从1942年10月到1943年2月共修建了1160公里长的铁路支线，恢复了1958公里的铁路线和293座铁路桥，保证了斯大林格勒地区的交通运输。

　　为了使反攻达到出奇制胜的效果，苏军最高统帅部还特别要求加强隐蔽和伪装部队的措施，尤其是要求炮兵一定要在敌人防御的主要突击方向上，建立重兵集团，达到德军两倍数量的优势。

　　1942年11月19日7时30分，隆隆的炮声宣告了西南方面军和顿河方面军揭开了苏军反攻的序幕。

　　根据最高统帅部下达的进攻命令，集结在三个狭长突击地带上的大炮和迫击炮向预先侦察到的目标一齐开火。在实施了一个小时的破坏性射击和20分钟的压制性射击后，8时50分，支援步兵的坦克群首先发起进攻。

　　举世瞩目的斯大林格勒大反攻正式开始了。

　　在斯大林格勒西北部，苏军西南方面军的3500门大炮直射德军阵地。然后，以坦克和机械化部队为先导，苏军越过草原，首行突向德军薄弱阵地——罗马尼亚第4集团军。罗马尼亚军不战而溃。苏军向前推进了35公里，由于德军派出装甲部队前去支援，苏军才减慢了反攻的速度。

　　德陆军参谋长向希特勒报告了前线的进展情况，同时建议从斯大林格勒撤退，即将第6集团军撤出，调转方向，加强后卫，巩固新前方，然后进攻突入罗马尼亚军阵地的苏军。这样可在更靠西侧的地域建立一条牢固的防线，既为第6集团军解围，也给苏军造成困境。

　　刚愎自用的希特勒根本听不进下属这一还算明智的建议，他暴跳如雷：“你只有一个建议——撤退！你的对手又是朱可夫，就认输了吗？”接着，他又愤怒地嚷着：“我决不允许离开伏尔加！我决不许从伏尔加撤退！”

　　然而，德军已经无法阻挡苏军的前进步伐了。22日夜间，苏军占领了顿河桥，并分批强渡顿河。

　　为了迅速断敌退路，防止德军龟缩，苏军第26坦克军军长罗金少将决定利用夜暗，先夺取卡拉季奇附近顿河上惟一剩下的一座桥梁。22日凌晨3时，他命先头部队的上百辆坦克全部打开车灯，成纵队沿着从奥斯特罗夫到卡拉季奇的公路，穿过德军数十公里的防御阵地向大桥开进。

　　苏军的先头部队迅速控制了左右河岸，并发出信号弹，通知后续部队加速前进。

　　德军发现中计，但为时已晚，苏军坦克里应外合，迫使德军向两翼败退。苏军第26坦克军固守在桥梁附近，切断了敌军的退路，粉碎了敌人向西面德军靠拢的企图。4天之后，苏军两支先头部队在斯大林格勒的西面、德军第6集团军背后20公里的地方会师，这一会师不仅决定了斯大林格勒城内25万德军士兵的命运，而且标志着第二次世界大战在苏联战场上的转折。

　　斯大林格勒方面军根据朱可夫的命令，于11月20日拂晓从城南发起反攻，也像在斯大林格勒西北部那样，苏军突破了罗马尼亚第4集团军的防线后，向西北推进。

　　眼看斯大林格勒的德军受到两面包围，德军集团军司令部命令后方梯队和后勤部队组成战斗队进行抵抗。但这支部队没经过训练，装备不齐，只能延缓苏军的进程，并不能挽救第6集团军被围歼的命运。

　　23日，斯大林格勒方面军在卡拉季奇与西南方面军会合，于是，斯大林格勒地区的敌军全部落在网里。

　　伏尔加河东岸的苏军也开始了反击。他们向城内的德军阵地发起了猛烈地炮击。斯大林格勒正北面的顿河方面军也发动了攻势。自11月22日起，他们与斯大林格勒方面军一起对德军进行压缩。

　　战斗进行至11月30日，苏军已完成了对德军共22个师33万人的合围，将其压缩在1500平方公里的地域之内。斯大林格勒前线德军的日子已越来越不好过了。