Наступление войск Юго-Западного и правого крыла Донского фронтов началось утром 19 ноября после мощной артподготовки. Войска 5-й танковой и 21-й армий прорвали оборону 3-й румынской армии. Немецкие части, располагавшиеся сзади румынских войск, сильной контратакой пытались остановить советские войска, но были разгромлены введёнными в сражение 1-м и 26-м танковыми корпусами, передовые соединения которых вышли в оперативную глубину, продвигаясь в район Калача. Войска 65-й армии Донского фронта, преодолевая упорное сопротивление противника, отрезали врагу путь отступления на З. из малой излучины Дона. 23 ноября передовые части 26-го танкового корпуса овладели Калачом. 24 ноября войска Юго-Западного фронта, разгромив окруженные группировки румынских войск в районе юго-западнее Распопинская, взяли в плен свыше 30 тыс. чел. и много боевой техники. 20 ноября в наступление перешли войска 51-й, 57-й и 64-й армий Сталинградского фронта. После успешного прорыва обороны врага и разгрома румынских и немецких войск были введены в сражение 4-й механизированный и 13-й танковый корпуса, а также 4-й кавалерийский корпус. Противник перебросил из-под Сталинграда две танковых дивизии и пытался преградить путь советским войскам, но успеха не имел. 23 ноября войска 4-го танкового корпуса Юго-Западного фронта и 4-го механизированного корпуса Сталинградского фронта встретились в районе хутора Советского, замкнув кольцо окружения сталинградской группировки противника в междуречье Дона и Волги. В кольце окружения оказались основные силы 6-й армии и часть сил 4-й танковой немецкой армии — 22 дивизии и 160 отдельных частей общей численностью 330 тыс. чел. К этому же времени войска Юго-Западного и Сталинградского фронтов создали внешний фронт окружения, удаление которого от внутреннего фронта составляло от 40 до 100 км.

  24—30 ноября войска Донского и Сталинградского фронтов, ведя ожесточённые бои с окруженными немецко-фашистскими войсками, сократили занимаемую ими площадь вдвое, зажав врага на территории 70—80 км с З. на В. и 30—40 км с С. на Ю. В первой половине декабря действия войск Донского и Сталинградского фронтов по уничтожению окружённого противника развивались медленно, т.к. он уплотнил свои боевые порядки и организовал оборону на рубежах, оборудованных летом 1942 советскими войсками.

  Немецко-фашистское командование, оправившись от растерянности, вызванной неожиданным для него крупным успехом советских войск, начало принимать меры к деблокированию окруженной группировки. 24 ноября Гитлер приказал удерживать Сталинград. Немецко-фашистские войска, действовавшие против войск внешнего фронта окружения, были в конце ноября объединены в новую группу армий «Дон» (командующий генерал-фельдмаршал Э. Манштейн), которая была усилена войсками с др. участков советско-германского фронта и частично из Франции и Германии. В её состав вошла и окруженная группировка. В районах Котельниковского и Тормосина создавались две крупные ударные группировки. 12 декабря ударная группировка из района Котельниковского (армейская группа «Гот» в составе части сил 4-й немецкой танковой армии и 4-й румынской армии) перешла в наступление вдоль железной дороги на Сталинград, не дожидаясь сосредоточения др. ударной группировки в районе Тормосина. Используя огромное превосходство в силах, враг оттеснил войска 51-й армии за р. Аксай, где 15 декабря его наступление было остановлено, 19 декабря противник, создав сильную танковую группировку, возобновил наступление, но был остановлен на р. Мышкова войсками 2-й гвардейской (генерал-лейтенант Р. Я. Малиновский) и 51-й армий. До 23 декабря враг не смог прорваться к окруженной группировке, до которой оставалось около 40 км. 16 декабря начали наступление войска Юго-Западного фронта и переданной в его состав 6-й армии Воронежского фронта, нанося удары на Морозовск и Кантемировку с целью разгрома войск противника в районе Среднего Дона и выхода в тыл его тормосинской группировки. В результате трёхдневных ожесточённых боев оборона врага была прорвана на пяти направлениях. Противник был вынужден направить сюда из района Тормосина силы, предназначавшиеся для удара на Сталинград. К 31 декабря войска Юго-Западного и Воронежского фронтов разгромили основные силы 8-й итальянской армии и немецкой оперативной группы «Холлидт» и завершили разгром 3-й румынской армии. В результате упорной обороны советских войск на сталинградском направлении и успешного наступления на Среднем Дону попытка немецко-фашистского командования деблокировать окруженные войска была сорвана. 24 декабря войска Сталинградского фронта перешли в наступление и к 31 декабря полностью разгромили 4-ю румынскую армию и нанесли тяжёлое поражение 4-й немецкой танковой армии. Внешний фронт усилиями Юго-Западного и Сталинградского фронтов был отодвинут на 200—250 км на З. 57-я, 64-я и 62-я армии Сталинградского фронта были переданы в состав Донского фронта, получившего задачу ликвидации окруженных под Сталинградом войск противника. Представителем Ставки на Донской фронт был направлен генерал-полковник артиллерии Н. Н. Воронов. С 1 января 1943 Сталинградский фронт переименован в Южный и получил задачу развивать наступление на ростовском направлении. Положение немецко-фашистских войск, зажатых в кольцо, в начале января 1943 резко ухудшилось: занимаемая ими территория простреливалась советской артиллерией, материальные запасы истощались. Попытки противника организовать снабжение 6-й армии по воздуху были сорваны советской авиацией и войсками ПВО.

  8 января 1943 советское командование предъявило командованию 6-й немецкой армии ультиматум о капитуляции, но оно по приказу гитлеровского руководства отклонило его. 10 января советские войска перешли в наступление (операция «Кольцо») с целью уничтожить противника. Развернулись ожесточённые бои. Враг упорно сопротивлялся, но войска Донского фронта продвигались вперёд и к 26 января расчленили окруженную группировку врага на две части: южную — в центре города и северную — в районе тракторного завода и завода «Баррикады». 31 января была ликвидирована южная группа немецко-фашистских войск. Её остатки во главе с командующим 6-й армией Ф. Паулюсом, только что произведённым Гитлером в генерал-фельдмаршалы, сдались в плен. 2 февраля сдались и остатки северной группы. На этом С. б. завершилась. В ходе контрнаступления, кроме двух уничтоженных немецких армий, были разгромлены две румынских и одна итальянская армии. Противник потерял полностью 32 дивизии и 3 бригады; 16 дивизий понесли потери в личном составе от 50 до 75% и утратили боеспособность. Общие потери немецко-фашистских войск с 19 ноября 1942 по 2 февраля 1943 составили свыше 800 тыс. чел., около 2 тыс. танков и штурмовых орудий, свыше 10 тыс. орудий и миномётов, до 3 тыс. боевых и транспортных самолётов и свыше 70 тыс. автомашин. Всего за время С. б., с 17 июля 1942 по 2 февраля 1943, армии фашистского блока потеряли около 25% сил, действовавших на советско-германском фронте. До 1,5 млн. солдат и офицеров противника (с учётом потерь в ВВС) было убито, ранено и взято в плен. Огромные потери сил и средств катастрофически отразились на общей стратегической обстановке и потрясли всю военную машину фашистской Германии. До С. б. история не знала сражения, когда в окружение попала и была бы полностью разгромлена столь крупная группировка войск. Разгром врага на Волге ознаменовал начало коренного перелома в ходе Великой Отечественной войны и 2-й мировой войны в целом, началось изгнание вражеских войск с советской территории.

  В результате С. б. Советские Вооруженные Силы захватили стратегическую инициативу и не упускали её до полного разгрома фашистской Германии. С. б. создала благоприятные условия для развёртывания наступления всех фронтов на юго-западном направлении. Разгром румынской и итальянской армий положил начало внутриполитическому кризису в этих странах. Победа в С. б. высоко подняла международный авторитет Советского Союза, оказала огромное влияние на развёртывание Движения Сопротивления в оккупированных странах, вызвала чувство глубокого уважения к советскому народу среди миллионов трудящихся зарубежных стран. Многие правительства, не имевшие дипломатических отношений с СССР, спешили их установить. Турция и Япония отказались выступить против СССР. В ноябре 1943 на конференции руководителей трёх союзных держав в Тегеране премьер-министр Великобритании передал советской делегации почётный меч — дар короля Великобритании Георга VI гражданам Сталинграда в ознаменование победы над фашистскими захватчиками. В мае 1944 президент США от имени американского народа прислал городу Сталинграду грамоту, в которой отмечалось, что славная победа защитников города стала поворотным пунктом войны Союзных Наций против сил агрессии.