התוכנית הראשונית של מאנשטיין, שקיבלה את שם הקוד "סערת חורף", נועדה להתבצע על ידי שני קורפוסי פאנצר. על פי התוכנית, קורפוס הפאנצר ה-48 היה אמור לתקוף מזרחה מאזור נהר הצ'יר התחתון, בעוד קורפוס הפאנצר ה-57 תוקף צפונה מאזור קוטלניקובו. קורפוס הפאנצר ה-48, שתוגבר על ידי דיוויזיית הפאנצר ה-11, החזיק בראש גשר ממזרח לנהר צ'יר ליד ניז'ני צ'ירסקאיה, סמוך לנקודה בה נשפך הצ'יר לנהר הדון התחתון, במרחק כ-65 ק"מ בלבד מסטלינגרד. עם זאת, התוכנית השתבשה כאשר ב-30 בנובמבר תקפה ארמיית הטנקים החמישית את הכוחות הגרמניים באזור נהר צ'יר התחתון בכוח של כ-50,000 חיילים, מה שאילץ את מאנשטיין להשתמש בקורפוס הפאנצר ה-48 כדי לבלום את המתקפה, ולמנוע מהכוחות הסובייטיים לבסס ראשי גשר בגדה המערבית של הנהר. מאחר שהמתקפה הסובייטית החדשה נתקלה בהתנגדות עזה ולא זכתה להצלחה, תגבר הפיקוד הסובייטי את הכוח התוקף באמצעות ארמיית ההלם החמישית, שהוקמה מיחידות מעתודת הסטאבקה ויחידות שסופחו אליה מחזית סטלינגרד, וכללה כמעט 71,000 חיילים, 252 טנקים ו-814 תותחים. המודיעין הסובייטי העריך שהגרמנים מתכננים מתקפת נגד לחילוץ הארמייה השישית, אולם לא צפה נכונה את כיוון המאמץ הגרמני העיקרי. מאנשטיין, שהעריך שהפיקוד הסובייטי מצפה שניסיון החילוץ הגרמני יבוא מכיוון מערב, וריכז את כוחותיו העיקריים למנוע מהלך כזה, החליט בסופו של דבר להנחית את המתקפה העיקרית דווקא מכיוון דרום, אף על פי שכוחות הציר באזור זה נמצאו במרחק כמעט 150 ק"מ מסטלינגרד.
הכוחות הלוחמים.
הכוח הגרמני.
מאנשטיין החליט להטיל את משימת החילוץ של הכוחות, שכותרו בכיס סטלינגרד, על ארמיית הפאנצר הרביעית בפיקודו של הרמן הות. מכיוון שקורפוס הפאנצר ה-48 (דיוויזיות הפאנצר ה-11 וה-22) רותק למקומו על ידי המתקפה הסובייטית באזור נהר צ'יר התחתון, הוא נאלץ להסתמך בעיקר על קורפוס הפאנצר ה-57 בפיקודו של פרידריך קירכנר, שהועבר תחת פיקודו מחזית הקווקז. הקורפוס כלל שלוש דיוויזיות פאנצר: דיוויזיית הפאנצר ה-6 (ארהרד ראוס), שהגיעה זה עתה מעתודת ה־OKW במערב אירופה, וכללה כ-200 טנקים ותותחי סער, דיוויזיית הפאנצר ה-23 (ניקולאוס פון פורמן) ודיוויזיית הפאנצר ה-17 (פון זנגר), מקבוצת ארמיות מרכז. אולם האחרונה, שכללה רק כ-30 טנקים מבצעיים, עוכבה בפקודת היטלר באזור מילארובו, כדי שתשמש עתודה ניידת מאחרי החזית, שהוחזקה על ידי הארמייה השמינית האיטלקית, ולכן לא יכלה להשתתף בשלבים הראשונים של מבצע החילוץ של הארמייה השישית. כתוצאה מכך, קורפוס הפאנצר ה-57 פתח את המתקפה שלו עם שתי דיווזיות פאנצר בלבד, שכללו 232 טנקים ותותחי סער. גדוד הפאנצר הכבד ה-503, שהיה מצויד בטנקים כבדים חדשים מדגם טיגר, ונועד להשתתף במבצע החילוץ, הגיע מאוחר מדי מכדי לקחת בו חלק. הכוח הגרמני התוקף כלל גם שתי דיוויזיות שדה של הלופטוואפה, שהורכבו ברובן מחיילים חסרי ניסיון קרבי, ולא היו מצוידות כראוי בארטילריה ובתותחי נ"ט.
בנוסף לכוחות הגרמנים השתתפה במבצע החילוץ גם הארמייה הרומנית הרביעית, בפיקודו של קונסטנטין קריסטסקו, שנועדה להגן על האגפים של הכוח הגרמני. הארמייה הרביעית כללה את הקורפוס השישי (דיוויזיות חי"ר ה-1, ה-2, ה-4, ה-18 וה-20), ואת הקורפוס השביעי. האחרון כלל במקור שתי דיוויזיות פרשים (ה-5 וה-8), אולם הן ספגו אבדות כבדות במבצע אורנוס, ולכן אוחדו במסגרת חדשה, שנקראה "קבוצת הפרשים פופסקו". מאנשטיין קיווה שהארמייה הגרמנית השישית בפיקודו של פרידריך פאולוס תפתח במתקפה משלה, ותנסה לפרוץ החוצה מטבעת הכיתור הסובייטית, כאשר כוח החילוץ יגיע למרחק קצר ממנה, ובכך תתרום את חלקה להצלחת מבצע החילוץ.
הכוח הסובייטי.
לקראת מבצע אורנוס, נפרסו באזור סטלינגרד עשר ארמיות סובייטיות, בנוסף לארמייה ה-62 שלחמה בתוך העיר. חזית סטלינגרד, תוגברה בלמעלה מ-111,000 חיילים, 420 טנקים ו-556 תותחים, שחצו את נהר הוולגה בתוך פרק זמן של שלושה שבועות. אולם, הכוחות הסובייטיים בגזרה הדרומית של טבעת הכיתור החיצונית של "כיס סטלינגרד" היו חלשים יחסית. מול כוחותיו של הות ניצבה רק הארמייה ה-51 הסובייטית, אשר כללה רק ארבע דיוויזיות חי"ר, בריגדת טנקים וקורפוס פרשים, שמנו כ-34 אלף חיילים ו-77 טנקים, ולא היוותה יריב של ממש לקורפוס הפאנצר ה-57 המתוגבר. דרומית-מזרחית לעמדותיה של הארמייה ה-51 הוצבה הארמייה ה-28, שהגנה על התפר בין הכוחות הסובייטיים באזור סטלינגרד לבין הכוחות באזור הקווקז. היא כללה 44,000 חיילים, 40 טנקים ו-707 תותחים ומרגמות, אולם הסיוע שיכלה להגיש לארמייה ה-51 היה מועט.
מהלך הקרב.
המתקפה הגרמנית.
ב-12 בדצמבר 1942 נתן הות פקודה לכוחות ארמיית הפאנצר הרביעית לנוע לכיוון צפון-מזרח אל הכוחות המכותרים בסטלינגרד. המתקפה הפתיעה את הפיקוד הסובייטי, שלא ציפה שמאנשטיין יצא למתקפה בשלב מוקדם כל כך, לפני השלמת ריכוז כוחות העתודה הגרמניים. הגרמנים נעו עד 50 ק"מ ביום, והתקדמותם הייתה כה מהירה עד שבמספר הזדמנויות הם לכדו יחידות ארטילריה סובייטיות בשלמותן, לפני שהאחרונים הספיקו להשתמש בהן נגדם. כבר ביום המתקפה הראשון הגיעו דיוויזיות הפאנצר ה-6 וה-23 להישגים גדולים ואיימו על עורפה של הארמייה ה-51 הסובייטית. עד סוף היום התמוטטה דיוויזיית הרובאים הסובייטית ה-302, וקורפוס הפרשים הסובייטי, שהיה מותש משבועות של לחימה רצופה, לא הצליח להציב התנגדות רצינית למתקפה הגרמנית. עם זאת, גם הגרמנים ספגו אבדות ניכרות, במיוחד בקרב יחידות דיוויזיית הפאנצר ה-23.
פיקוד חזית סטלינגרד הגיב במהירות לאיום החדש שיצרה המתקפה הגרמנית, ושלח שני קורפוסים ממונעים (ה-4 וה-13) מעתודת החזית ומארמיית ההלם החמישית לתגבר את הארמייה ה-51. מול התנגדות סובייטית קלה, הגיעו הגרמנים לנהר אקסאי יסאולובסקי והצליחו להקים ראש גשר בגדה הצפונית של הנהר. אולם ב-13 בדצמבר החלו כוחות העתודה הסובייטיים להנחית שורת התקפות על ראש הגשר הגרמני, והצליחו לבלום את ההתקדמות הגרמנית. ברמה שסביב הכפר ורחניה קומסקי התפתח קרב שריון קשה, ואף על פי שספגו אבדות כבדות, הצליחו כוחות השריון הסובייטיים למנוע מהגרמנים לכבוש את הכפר, והדפו אותם חזרה אל האקסאי יסאולובסקי. עם זאת, הגרמנים לא התייאשו, והקרב סביב ורחניה קומסקי נמשך שלושה ימים. בסופו של דבר, תודות לסיוע אווירי, הצליחו הגרמנים להדוף את הסובייטים אל הנהר מישקובה. הקרב על ורחניה קומסקי היה קשה במיוחד עבור הדיוויזיה השישית הגרמנית, שנאלצה לקחת הפוגה לאחר הקרב כדי לשפץ את כלי הרכב שלה.
מתקפת הנגד הסובייטית.
המתקפה הגרמנית גרמה לפיקוד הסובייטי לשקול מחדש את תוכניותיו האסטרטגיות ולשנות אותן בהתאם. אלכסנדר ואסילבסקי, נציג הסטאבקה באזור סטלינגרד, הפציר בסטלין לשלוח במהירות תגבורות לחזית סטלינגרד מכוחות העתודה שהוכנו לקראת המבצע לחיסול כיס סטלינגרד ("מבצע טבעת"). ב-13 בדצמבר קיבל סטלין את בקשתם של אנדריי יריומנקו, מפקד חזית סטלינגרד, ושל ואסילבסקי, ואישר את העברת ארמיית המשמר השנייה בפיקוד רודיון מלינובסקי, תחת פיקוד חזית סטלינגרד, החל מה-15 בחודש, כדי לבלום את מאמץ החילוץ הגרמני. ואסילבסקי מונה לפקד על כלל הכוחות הסובייטיים שנועדו לבלום את המתקפה הגרמנית ולמנוע חבירה של כוח החילוץ עם הארמייה השישית בכיס סטלינגרד.
ארמיית המשמר השנייה הוקמה רק ב-23 באוקטובר של אותה שנה, וכללה כ-90 אלף חיילים רעננים. הארמייה נאלצה לעבור מרחק של למעלה מ-180 ק"מ מהגדה המזרחית של הוולגה בתנאי מזג אוויר קשים כדי להגיע ליעדה, והגעתה התעכבה למשך מספר ימים קריטיים. מבצע סטורן נדחה, והוחלט על גרסה מצומצמת יותר שלו, שכללה רק 3 ארמיות. מטרת המבצע המעודכן הייתה: למוטט את האגף השמאלי של קבוצת ארמיות דון ולהתקדם דרומה במטרה לאיים על עורפו של ריכוז הכוחות הגרמני באזור הצ'יר התחתון ולאלץ את מאנשטיין לנטוש את ניסיון החילוץ של הארמייה השישית. תאריך המבצע נדחה ל-16 בדצמבר. במקביל, פתחו הקורפוס הממוכן ה-4 וקורפוס הטנקים ה-13 בסדרת התקפות חדשה על ראש הגשר הגרמני, במטרה לעכב את הגרמנים עד הגעתה של ארמיית המשמר השנייה.
ב-16 בדצמבר פתחו הסובייטים במבצע סטורן קטן. ארמיות המשמר הראשונה והשלישית יחד עם הארמייה השישית, פתחו בהתקדמות מהירה דרומה בכיוון מורוזובסק ומילארובו, תוך שהם משמידים בדרכם מצבורי אספקה גרמניים ומשתלטים על צומתי מסילות ברזל חיוניים. תוך מספר ימים הביסו הכוחות הסובייטיים את הארמייה השמינית האיטלקית (שאיבדה כמחצית מכוחה) ואת שרידי הארמייה הרומנית השלישית, והסבו אבדות כבדות לפלגת הארמייה הולידט. במקביל, נעו הכוחות הגרמניים אל נהר מישקובה, תוך שהם סופגים אבדות כבדות. הצלחת מבצע "סטורן קטן" העמידה את מאנשטיין בפני דילמה קשה - להמשיך במבצע סופת חורף, ולהסתכן בהתמוטטות קבוצת הארמיות שלו ובכיתור כוחותיו מעורפם, או להפסיק את ניסיון החילוץ של הות במרחק קצר מיעדו, ולהעביר את כוחותיו מערבה כדי לסייע בבלימת המתקפה הסובייטית ובייצוב החזית הגרמנית. בשלב ראשון, נאלץ מאנשטיין לנטוש את תוכניתו לצרף את קורפוס הפאנצר ה-48 להתקפה של הות ולהורות לו לתקוף מאזור ניז'ני צ'ירסקאיה מזרחה, והורה לקורפוס לנטוש את עמדותיו על נהר צ'יר ולנוע במהירות מערבה, כדי לבלום את פריצת הכוחות הניידים הסובייטיים דרומה. ב-18 בדצמבר ביקש מאנשטיין מהיטלר שהארמייה השישית תפתח במתקפה, אולם היטלר סירב.
התמוטטות המתקפה הגרמנית.