В конце июля 1942 года в планы летнего наступления вермахта были внесены изменения. Немецкое командование разделило группу армий «Юг» на две части, одна из которых должна была продолжать продвижение на Кавказ (группа армий «А»), в то время как второй (группа армий «Б») предписывалось выйти к Волге, перерезать советские коммуникации и взять Сталинград.

Группа армий «Б» насчитывала 270 тысяч солдат и офицеров, около 500 танков и более 2000 орудий и миномётов. Оказание воздушной поддержки было возложено на 4-й воздушный флот Вольфрама фон Рихтгофена. Советский Юго-Западный фронт (12 июля 1942 года переименованный в Сталинградский) мог противопоставить гитлеровцам около 160 тысяч бойцов, 400 танков и около 2200 орудий и миномётов. Некоторые дивизии фронта испытывали серьёзный некомплект личного состава.

17 июля 1942 года немецкая армия перешла в наступление. Эта дата считается днём начала Сталинградской битвы. К 22 июля немцы оттеснили советские войска почти на 70 километров, к главному рубежу обороны Сталинграда. 28 июля 1942 года произошло ещё одно событие, которое нельзя оставить за кадром. В этот день был принят знаменитый Приказ Народного комиссара обороны СССР № 227, также известный как «Ни шагу назад!». Этот документ, при всей его жёсткости, был принят в войсках достаточно позитивно и действительно улучшил ситуацию с дисциплинарными нарушениями в воинских частях.

В конце июля советские войска были оттеснены противником за Дон и заняли оборону на внешнем рубеже городских укреплений. 23 августа немецкая группировка при поддержке авиации прорвала фронт обороны 62-й и 4-й танковой армий и передовыми частями вышла к Волге. В этот день немецкая авиация совершила около 2000 самолётовылетов. Многие кварталы города оказались в руинах, пылали нефтехранилища, погибло около 40 тысяч мирных жителей. Противник прорвался до линии Рынок — Орловка — Гумрак — Песчанка. Борьба перешла под стены Сталинграда.

Городские бои начались 13 сентября 1942 года и продолжались до 19 ноября, когда Красная армия перешла в контрнаступление. К моменту начала советского контрнаступления под Сталинградом находились, кроме 6-й армии Паулюса, также 2-я армия фон Зальмута, 4-я танковая армия Гота, итальянская, румынская и венгерская армии.

19 ноября Красная армия силами трёх фронтов начала крупномасштабную наступательную операцию, получившую кодовое название «Уран». Открыли её около трёх с половиной тысяч орудий и миномётов. Артиллерийский шквал длился около двух часов. Впоследствии именно в честь этой артподготовки дата 19 ноября была объявлена профессиональным праздником артиллеристов.

23 ноября вокруг 6-й армии и основных сил 4-й танковой армии Гота сомкнулось кольцо окружения. 24 ноября у станицы Распопинская капитулировали около 30 тысяч итальянцев. К 24 ноября территория, занимаемая окружёнными гитлеровскими частями, протянулась на 40 километров с запада на восток, и на 80 километров — с севера на юг. Паулюс настаивал на прорыве, но Гитлер категорически это запретил. Он ещё не терял надежды на то, что удастся помочь окруженцам извне. Миссия спасения была возложена на Эриха фон Манштейна. Группа армий «Дон» под его командованием должна была в декабре 1942 года ударом от Котельниковского и Тормосина деблокировать осаждённую армию Паулюса.

19 декабря войска Манштейна столкнулись со 2-й гвардейской армией Родиона Малиновского, и к 25 декабря немецкое наступление остановилось в заснеженных донских степях. Немцы откатились на исходные позиции, понеся крупные потери.

Группировка Паулюса была обречена. 10 января 1943 года началась завершающая операция Красной армии по ликвидации немецких войск, окружённых в Сталинграде, под названием «Кольцо». Немцы сопротивлялись, как могли. С 17 по 22 января наступление советских войск даже было остановлено. После перегруппировки части Красной армии снова двинулись в атаку, и 26 января гитлеровские силы оказались расколоты на две части. Северная группировка находилась в районе завода «Баррикады», а южная, с которой находился и сам Паулюс, располагалась в центре города.

30 января 1943 года Гитлер присвоил Фридриху Паулюсу звание фельдмаршала. 31 января в полдень Паулюс сдался в плен. На то, чтобы ликвидировать остатки гитлеровских войск в Сталинграде, понадобилось ещё два дня. 2 февраля всё было кончено. Сталинградская битва завершилась.