סטלין רצה לתקוף את הצבא הגרמני חזיתית, אך ז'וקוב ואלכסנדר ואסילבסקי, ראש המטה הכללי של הצבא האדום, שכנעו אותו שכדאי יותר לתקוף באגפים ולסגור על הארמייה השישית הגרמנית. סטלין העניק אישור מסויג לארכה של 45 יום לצורך ריכוז הכוחות הנדרשים למתקפת נגד גדולה, שתכתר ותשמיד את איגוד הכוחות הגרמני באזור סטלינגרד ותשנה מהיסוד את המצב האסטרטגי בחזית הדרום. לקראת מתקפת הנגד אורגנו הכוחות הבאים מתוך הצבא האדום: החזית הדרום-מערבית (ניקולאי ואטוטין): ארמיית הטנקים ה-5, הארמייה ה-21, ארמיית המשמר הראשונה, ארמיית האוויר ה-17, ארמיית האוויר ה-2 (החזית כללה 18 דיוויזיות חי"ר, 3 קורפוסי טנקים, קורפוס ממונע ו-2 קורפוסי פרשים), חזית הדון (קונסטנטין רוקוסובסקי): הארמייה ה-24, הארמייה ה-65, הארמייה ה-66, ארמיית האוויר ה-16 (כללה 22 דיוויזיות חי"ר, קורפוס טנקים ו-3 בריגדות טנקים עצמאיות), וחזית סטלינגרד (אנדריי יריומנקו): הארמייה ה-28, הארמייה ה-51, הארמייה ה-57, הארמייה ה-62, הארמייה ה-64 וארמיית האוויר השמינית (כללה 27 דיוויזיות חי"ר, 2 קורפוסים ממונעים, קורפוס פרשים ו-10 בריגדות טנקים).
ב-19 בנובמבר נפתח מבצע אורנוס - מתקפת הנגד הסובייטית, במתקפה על הארמייה הרומנית השלישית על גדות נהר הדון בידי כוחות החזית הדרום-מערבית בראשות ואטוטין. הפיקוד הגרמני בראשות מפקד הארמייה השישית, פרידריך פאולוס, לא השכיל להבין תחילה כי מדובר במתקפה אסטרטגית כוללת שהחלה דרך העורף שלו. יחידות השריון, מגובים בארטילריה ומטוסים חדישים שהוכנו למתקפה מעבר להרי האורל, פרצו בקלות את קווי ההגנה של היחידות הרומניות במקביל למתקפה של חזית סטלינגרד מדרום שהחלה ביום למחרת. כעבור יומיים כותרה הארמייה השישית בתוך העיר בפעולת מלקחיים. כמו כן, הנתח הארי של ארמיית הפאנצר הרביעית נקלעה גם כן לכיתור. המבצע אמנם לא השיג את כל יעדיו, אבל היעד המרכזי, כיתור הארמייה השישית וניצחון בקרב סטלינגרד, הושג במלואו. הוורמאכט חטף מהלומה כאשר נשבו 90,000 מאנשיו, ונהרגו כ-200 אלף. על הניצחון בקרב המכריע-ז'וקוב זכה באות "מסדר סוברוב" היוקרתי. הכוחות הגרמנים החלו ברכבת אספקה אווירית לסטלינגרד ובאמצע דצמבר פתחו במבצע סערת חורף בניצוחו של אריך פון מאנשטיין, בניסיון כושל לפרוץ את הכיתור הסובייטי.
המתקפה הגרמנית, שנפתחה ב-12 בדצמבר 1942, הפתיעה את הפיקוד הסובייטי, והגיעה להישגים משמעותיים ביומה הראשון. אולם לאחר שהעתודות הסובייטיות הגיעו לשדה הקרב, הם הצליחו להאט באופן משמעותי את התקדמות כוח החילוץ הגרמני. ב-16 בדצמבר פתח הצבא האדום במבצע סטורן קטן, הביס את הארמייה השמינית האיטלקית באגף המערבי של קבוצת ארמיות דון, ויצר איום חמור על עורפה של קבוצת הארמיות. ב-19 בדצמבר הגיעו כוחותיו של הות לקו נהר מישקובה, מרחק קצר מכיס סטלינגרד, אך המשך התקדמותם נבלם על ידי כוחות העתודה הסובייטיים. מאנשטיין ניסה לשכנע את פיקוד הארמייה השישית לפרוץ החוצה מטבעת הכיתור הסובייטית ולחבור לכוח החילוץ, אולם מפקד הארמייה פרידריך פאולוס סירב לפעול ללא אישור מהיטלר, אישור שהאחרון סירב לתת. ב-23 בדצמבר נאלץ מאנשטיין להורות על ביטול המבצע ועל נסיגת כוחו של הות לקו נהר אקסאי. למחרת פתחו הכוחות הסובייטיים במתקפת נגד עזה, ואילצו את הות לסגת במהירות לעמדות המוצא שלו. ז'וקוב וכלל הפיקוד הסובייטי ניצלו את העובדה שהכוחות הגרמנים מתחו את קווי האספקה שלהם באופן מרבי במערכה על סטלינגרד והקווקז, ונעזרו בכך בעבור תנועת המלקחיים הניצחת שהפכה את מפת הקרב. בעקבות קרב סטלינגרד החלה נסיגה גרמנית נרחבת בחזית הדרומית, ועמה גם החלה נסיגה בחזית המרכזית, לקיצור קו ההגנה, נסיגה שמחקה מהמפה את מבלט רז'ב שאיים על מוסקבה.
לאחר הניצחון בסטלינגרד נקרא ז'וקוב לקדם ניסיון שחרור של לנינגרד מן המצור של קבוצת ארמיות צפון. ז'וקוב הכין ועמד בראש מבצע כוכב הצפון שכלל מתקפה כוללת של קבוצת ארמיות 'החזית הצפון-מערבית' בין פברואר למרץ 1943. מלבד הישגים טקטיים משניים, המבצע כשל בניסיונו לכתר את הכוחות הגרמנים מסביב לעיר ונכשל במטרתו העיקרית. הפעילות בחזית הצפונית קפאה מחדש עקב ריכוז המשאבים המחודש על החזית הדרומית, הפעם מסביב לקורסק. ב-18 בינואר, בעקבות הניצחון על סטלינגרד, סטלין העניק לז'וקוב את דרגת מרשל ברית המועצות, הדרגה הרמה ביותר בשורות הצבא האדום. בכך היה ז'וקוב למרשל הראשון שהועלה לדרגה זאת מאז פרצה המלחמה.
קרב קורסק.
התנופה של מתקפת הנגד הסובייטית הביאה את כוחות הצבא האדום עד לשחרור העיר חרקוב, כאשר קווי האספקה שלהם נתחו לקצה גבול היכולת ואבדו תנופה. אריך פון מאנשטיין ניצל את הפרצה שנוצרה בכוחות הסובייטים בעבור מתקפת נגד שהסדירה את קו החזית כך שנוצר מבלט סובייטי גדול בקו החזית מסביב לעיר קורסק, בין בלגורוד בדרום לבין בליטת אוריול הגרמנית בצפון. עומקו של המבלט היה כ-120 קילומטר ורוחבו מצפון לדרום כ-250 קילומטר. ככל שהתקרב הקיץ, התברר יותר ויותר, שהמתקפה הגרמנית תונחת על בליטת קורסק. הסובייטים קיבלו דיווחים ממערך אולטרה שבמסגרתו פוצח צופן אניגמה הגרמני באמצעות רשת הריגול של לוסי, שפעלה בשווייץ. ידיעות אלו אך אישרו את התחושה של המפקדים הסובייטים הבכירים, ובראשם ז'וקוב ביחס למיקום המהלומה הגרמנית. כבר ב-8 באפריל כתב ז'וקוב מיזכר ברוח זו לסטאבקה, בו הניח את הבסיס לתוכנית הסובייטית להדיפת המתקפה. סטלין ומספר מפקדים סובייטיים בכירים, רצו להקדים את הגרמנים, ולהלום ראשונים. הם רצו לשבור את התבנית לפיה הגרמנים תוקפים תמיד בעונת הקיץ וזוכים בהישגים טריטוריאליים, וחששו שהצבא האדום לא יהיה מסוגל לבלום את המתקפה הגרמנית בשלביה הראשונים. אולם ז'וקוב והרמטכ"ל אלכסנדר ואסילבסקי שכנעו את סטלין, שעדיף לנהל בשלב ראשון קרב מגננה מתוכנן היטב, שיתיש את כוחו של הוורמאכט, ורק לאחר מכן לעבור למתקפה.
תחת פיקודו של ז'וקוב עמדו חזית וורונז' בפיקוד ואטוטין, החזית המרכזית בפיקודו של רוקוסובסקי וחזית הערבה בפיקודו של קונייב. ז'וקוב רצה להקדים תרופה למכה והורה לפתוח בסדרת מהלומות מקדימות שהתבררו כלא מאורגנות היטב וכשלו במטרתם. ב-5 ביולי החלה מתקפת הנגד הגרמנית על בליטת קורסק. בתוך חמישה ימים של קרבות שריון מהגדולים ביותר בהיסטוריה הצבאית העולמית באגף הצפוני של הבליטה, היה על השריון הגרמני לעצור עקב כמות האבדות שסבל. באגף הדרומי של מבלט קורסק הכוחות בראשות ואטוטין נדחקו לפינה. מתוך חשש להבקעה גרמנית של מערך ההגנה של חזית וורונז', נעתר ז'וקוב וכלל ההנהגה הצבאית העליונה לבקשתם של ואטוטין ושל ואסילייבסקי, נציג הסטאבקה והורה כבר בליל 6/7 ביולי לחזית הערבה לשלוח שתיים מהארמיות שלה (ארמיית המשמר המשוריינת ה-5 וארמיית המשמר החמישית) לעזרת כוחותיו המותשים של ואטוטין. לאחר מסע מואץ של מאות ק"מ, הגיעו שתי הארמיות ב-9 ביולי לאזורי הערכות מאחרי חזיתו של ואטוטין, והיו מוכנות לבלום את המשך ההתקדמות הגרמנית. בנוסף לכך, העביר הפיקוד הסובייטי את ארמיית האוויר ה-17 מהחזית הדרום-מערבית, כדי לתגבר את הכוח האווירי של חזית וורונז'.
הכוחות הסובייטים ניצלו את דחיית מועד המתקפה הגרמנית לביצור עמדותיהם, מהלך שהיה בעל חשיבות עליונה בבלימת המתקפה כאשר הגיעה. לנוכח עצירת השריון הגרמני פתחו ב-12 ביולי במבצע קוטוזוב באגף הצפוני: הכוחות הסובייטיים תקפו את שתי הארמיות הגרמניות מקבוצת ארמיות מרכז, שהחזיקו בבליטת אוריול, ולאחר לחימה עזה, במסגרתה ספגו שני הצדדים אבדות כבדות, אילצו את הגרמנים לסגת מכל שטח הבליטה עד אמצע אוגוסט 1943. הנסיגה הגרמנית הייתה איטית ומסודרת, והם גבו מחיר יקר בנפגעים ובציוד כבד מהכוחות הסובייטיים עבור שחרור בליטת אוריול.
סטלין חשש מפני ההתרחשויות באגף הדרומי, ושלח את ז'וקוב וואסילבסקי ישירות לחזית לפקד על המתרחש. ב-12 ביולי נערך באזור פרוחורובקה אחד מקרבות השריון הגדולים בהיסטוריה. לפי תיאור הקרב במקורות הסובייטיים, עליהם הסתמכו רוב המחקרים שעסקו בקרב (כולל המחקרים המערביים) עד העשור האחרון של המאה ה-20, השתתפו בקרב כ-850 טנקים סובייטיים, מולם התייצבו 500–600 טנקים גרמניים, כל הטנקים שנותרו לארמיית הפאנצר הרביעית. הקרב תואר כקרב היתקלות קלאסי בין שני כוחות משוריינים גדולים, שהסתיים ללא הכרעה. שני הצדדים היריבים איבדו מאות טנקים במהלך הקרב, אך האבדות הכבדות שספגו כוחות השריון הגרמניים סתמו את הגולל על התקווה, שעוד נותרה לפיקוד הגרמני, להשיג הכרעה צבאית במערכה על בליטת קורסק. לאחר קרב פרוחורובקה נבלמה באופן מוחלט המתקפה הגרמנית. בתחילת אוגוסט הצליח מבצע קוטוזוב בהשתלטות על אוריול. ז'וקוב וואסילבסקי שכנעו את סטלין לדחות את פתיחת מבצע רומיאנצב להשתלטות מחודשת על חרקוב במספר שבועות, כדי לאפשר לשתי החזיתות להשלים את אבדותיהן, ולהכין את המתקפה בצורה אופטימלית.
הדנייפר, קורסון-צ'רקאסי ומערב אוקראינה.