תכנון מתקפת הנגד הסובייטית באזור סטלינגרד החל כבר באמצע ספטמבר 1942, כאשר הייתה סכנה ממשית שהעיר תיפול בידי הגרמנים בכל רגע. התוכנית הראשונית למתקפה הועלתה בפגישה של הסטבקה שנערכה ב-13 בחודש. במהלך הישיבה הצליחו גאורגי ז'וקוב ואלכסנדר ואסילבסקי, ראש המטה הכללי של הצבא האדום, לשכנע את סטלין לא לבזבז את העתודות הסובייטיות בהתקפות בלתי מוכנות כראוי על האגפים של הכוחות הגרמניים התוקפים את העיר, אלא לתת להם ארכה 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. סטלין נתן להם אישור מסויג להתחיל בתכנון מתקפת הנגד, ובמהלך החודש הבא גובשה תוכנית המתקפה הסופית, לאחר התייעצויות עם מפקדי החזיתות הסובייטיות באזור סטלינגרד.
ז'וקוב וואסילבסקי לא התקשו לזהות את ההזדמנות, שנוצרה עקב ההיערכות הפגיעה של קבוצת ארמיות B במרחב סטלינגרד והעדר עתודות ניידות חזקות באזורי העורף שלה. תוכניתם הייתה פשוטה למדי, לרתק את הכוחות הגרמניים העיקריים ללחימה בתוך העיר ובקרבתה, ובמקביל לתקוף את האגפים של איגוד הכוחות הגרמני, שהוחזקו על ידי כוחות חלשים יחסית מצבאות גרורותיה של גרמניה הנאצית. מתקפת הנגד נועדה להתבצע בשני שלבים עיקריים: בשלב ראשון יכותרו הארמייה השישית וארמיית הפאנצר הרביעית בתנועת מלקחיים ענקית, ותוקם טבעת כיתור רחבה כדי למנוע את חילוצן. בשלב השני יתמקדו הכוחות הסובייטיים בסיכול כל ניסיון לפרוץ את טבעת הכיתור ובחיסול הכוחות המכותרים.
מתקפת הנגד נועדה להתבצע במרחק רב ממערב לסטלינגרד, במרחב שבין הנהרות דון וצ'יר, כדי לא לאפשר לגרמנים להפנות את כוחותיהם הניידים מערבה, כדי לבלום את הכוחות הסובייטיים התוקפים. הפיקוד הסובייטי הניח, שאם המתקפה העיקרית תונחת ממערב לעיקול נהר הדון, ימנע מכשול המים של הנהר מהפיקוד הגרמני לפרוס מחדש את כוחותיו במהירות מספקת. המתקפה העיקרית נועדה להתבצע מראשי הגשר הסובייטיים מדרום לנהר הדון על ידי חזית חדשה, בשם החזית הדרום-מערבית, שהוקמה מעתודות ה"סטאבקה". כוחות החזית נועדו לתקוף לכיוון דרום מזרח, ולחבור עם כוחות מחזית סטלינגרד, שיתקפו מדרום לסטלינגרד לכיוון צפון-מערב, באזור העיר קאלאץ על נהר הדון. במקביל נועדה חזית הדון לבצע מתקפה משנית מצפון לסטלינגרד, במטרה לרתק את שלושת הקורפוסים הגרמניים שהגנו על אגפה השמאלי של הארמייה השישית.
החלק המורכב של התוכנית הסובייטית היה ריכוז הכוחות העצומים שנדרשו למשימה באזור עיקול נהר הדון ובערבה החשופה בגדה המערבית של הוולגה, מבלי שההכנות למתקפת הנגד יתגלו על ידי הגרמנים. לצורך זה השתמשו הסובייטים במיומנותם בשיטות הונאה והסוואה ("מאסקירובקה"). עד נובמבר 1942 הצליח הפיקוד הסובייטי העליון לרכז בחשאי מאות אלפי חיילים, מאות טנקים ולמעלה מעשרת אלפים קני ארטילריה באזורי ההערכות למתקפה. הגרמנים זיהו, אמנם, קיום פעילות סובייטית מוגברת מצפון ומדרום לסטלינגרד, אך לא שיערו נכונה מהו היקף הכוחות הסובייטיים שרוכזו באזורים אלה. היטלר והפיקוד העליון הגרמני סברו בטעות (כפי שעשו בדצמבר 1941), שהפיקוד הסובייטי הטיל את כל עתודותיו ללחימה סביב סטלינגרד.
מתקפת הנגד זכתה בשם הקוד "מבצע אורנוס", שכן היא נועדה להתבצע במקביל למתקפה סובייטית נגד עמדות קבוצת ארמיות מרכז במבלט רז'ב, שכונתה בשם מבצע מארס. מבצע מארס היה ניסיון כושל נוסף לעקור את הגרמנים מהמבלט שאיים על מוסקבה. אולם היה לו יעד נוסף, לא פחות חשוב, והוא ריתוק כוחות קבוצת ארמיות מרכז לחזיתם, כדי שלא יוכלו לשלוח תגבורות לחזית הדרום, כשתיפתח מתקפת הנגד בסטלינגרד.
מספר מקורות סובייטיים טוענים, שהמודיעין הסובייטי ניהל מבצע הטעיה מורכב, שנועד לשכנע את הפיקוד הגרמני שמתקפת החורף הסובייטית תונחת נגד קבוצת ארמיות מרכז באזור מוסקבה, ו"מבצע מארס" נועד לשמש חלק מתוכנית ההטעיה. הם מסתמכים על ספר מאת פאבל סודופלאטוב, ראש המחלקה הרביעית (מודיעין) של הנקו"ד בתקופת המלחמה. לפי סודופלאטוב, המודיעין הסובייטי הפעיל סוכן כפול בשם אלכסיי דמיאנוב, כדי להזין את המודיעין הגרמני במידע המטעה. דמיאנוב (ששם הצופן שניתן לו על ידי מפעיליו הגרמנים היה "מקס") היה קצין קישור בפיקוד העליון הסובייטי, שפעל כסוכן בכיר של המודיעין הגרמני וסיפק לגרמנים במשך זמן רב מידע מדויק ורב ערך, אך למעשה שימש סוכן כפול. דמיאנוב העביר למודיעין הגרמני מידע לפיו הצבא האדום יפתח במתקפה רבתי על מבלט רז'ב ב-15 בנובמבר 1942.
המקורות הסובייטיים טוענים, שהפיקוד הגרמני השתכנע באמינות המידע והזרים תגבורות גדולות לקבוצת ארמיות מרכז. גאורגי ז'וקוב כתב בזכרונותיו, שבאוקטובר 1942 בלבד תוגברה קבוצת ארמיות מרכז ב-12 דיוויזיות, שהועברו אליה מגזרות אחרות בחזית הסובייטית וממערב אירופה. קשה לדעת האם אכן היה מדובר במבצע הטעיה סובייטי מוצלח, אך מתקפת הנגד הסובייטית באזור סטלינגרד הצליחה ללא ספק להפתיע לחלוטין את הפיקוד הגרמני.
מתקפת הנגד הסובייטית.
ב-19 בנובמבר 1942 עם שחר פתחה החזית הדרום-מערבית, בפיקודו של ניקולאי ואטוטין, במתקפה על עמדות הארמייה הרומנית השלישית על נהר הדון, כ-160 ק"מ מצפון-מערב לסטלינגרד. לאחר הפגזה מקדימה עזה בה השתתפו כ-3,500 קני ארטילריה, תקפו כוחות החזית מתוך שני ראשי גשר גדולים בגדה הדרומית של הדון. שתי הארמיות שהשתתפו במאמץ ההתקפי העיקרי של החזית, הארמייה ה-21 וארמיית הטנקים ה-5, כללו 12 דיוויזיות חי"ר, שלושה קורפוסים משוריינים ושני קורפוסי פרשים (כ-182 אלף חיילים, כ-550 טנקים וכ-4700 תותחים ומרגמות). כוחות החזית קיבלו סיוע משתי ארמיות אוויר (ה-16 וה-17), שכללו כ-790 מטוסים.
הארמייה הרומנית השלישית, שכללה כ-167 אלף חיילים (כולל כ-11 אלף חיילים גרמנים), לא היוותה יריב שווה ערך לכוחות הסובייטיים שתקפו אותה; היא הייתה פרוסה בדלילות על פני חזית ארוכה, ומעט תותחי הנ"ט שעמדו לרשותה היו ברובם מדגמים מיושנים, שלא היו מסוגלים להבקיע את השריון של טנקי ה-T-34 הסובייטיים. חלק מהיחידות הרומניות גילו התנגדות עזה ובלמו את המתקפה הסובייטית במספר גזרות, אולם לאחר שקורפוסי הטנקים הוטלו למערכה, הובקעה החזית הרומנית והכוחות הניידים הסובייטיים החלו בהתקדמות מהירה בכיוון דרום-מזרח, במטרה לנתק את הכוחות הגרמניים באזור סטלינגרד מעורפם. במקביל תקפה הכנף הימנית של חזית הדון, בפיקודו של קונסטנטין רוקוסובסקי, את עמדות הקורפוס הגרמני ה-11 משני עברי עיקול נהר הדון, כדי לרתק אותו לחזיתו ולא לאפשר לו לבוא לעזרת הכוחות הרומניים ממערב לו.
הפיקוד הגרמני הגיב באיטיות רבה על האיום המתפתח על עורפו. מפקדיו לא השכילו להבין כי אין מדובר במתקפה מקומית בעלת מטרות מוגבלות, אלא במתקפה אסטרטגית, שנועדה לכתר את כל הכוחות הגרמניים באזור סטלינגרד.
בשעות אחר הצהריים נשלחה צפונה העתודה הניידת הגרמנית, קורפוס הפאנצר ה-48, כדי לבלום את המתקפה הסובייטית. להלכה, קורפוס שריון גרמני היה אמור להיות יריב שקול, ואף יותר מכך, לארמיית טנקים סובייטית. אולם דיוויזיית הפאנצר ה-14 (55 טנקים, מתוכם 40 מבצעיים), שסופחה אליו ב-14 בנובמבר, נשחקה בקרבות הרחוב בסטלינגרד, ונמצאה בתהליך ארגון מחדש, במרחק רב מהכוחות העיקריים של הקורפוס. דיוויזיית הפאנצר ה-22 כללה על הנייר 104 טנקים, אך הטנקים שלה סבלו מתקלות טכניות רבות, ורק 30–42 מתוכם היו כשירים לפעולה ערב פתיחת המתקפה הסובייטית, ואילו דיוויזיית השריון הרומנית ה-1, כללה בעיקר טנקים קלים מדגם פאנצר 35(t) ופאנצר 38(t), שלא יכלו להתמודד מול הטנקים הבינוניים הסובייטיים. בנוסף, עקב פקודות מנוגדות לא הופעלו שתי הדיוויזיות במרוכז, וכל אחת מהן נשלחה לכיוון אחר. כתוצאה מכך, הן לא הצליחו לעכב באופן משמעותי את התקדמות כוחות השריון הסובייטיים העדיפים. לאחר שורת קרבות היתקלות, במהלכם אבדו מרבית הטנקים שלהם, נסוגו שרידי שתי הדיוויזיות מערבה אל מעבר לנהר צ'יר, ואילו דיוויזיית הפאנצר ה-14 נדחקה לכיוון מזרח, ונלכדה ב"כיס סטלינגרד" יחד עם שאר היחידות של הארמייה השישית.
ב-20 בנובמבר הצטרפה גם חזית סטלינגרד למתקפה. כוחותיה שימשו כזרוע הדרומית של המלקחיים, שנועדו לסגור על הכוחות הגרמניים באזור סטלינגרד. הארמיות ה-57 וה-51 של החזית, שכללו שש דיוויזיות חי"ר, שתי בריגדות מיוחדות, שלוש בריגדות טנקים עצמאיות, שני קורפוסים ממונעים וקורפוס פרשים, תקפו את עמדות הקורפוס הרומני השישי מדרום לסטלינגרד, והבקיעו דרכו תוך זמן קצר. במקביל תקפו הארמיות ה-62 וה-64 את הכוחות הגרמניים בתוך העיר ומדרום לה, במטרה לרתק אותם ולא לאפשר לפיקוד הגרמני לפרוס מחדש את כוחותיו, כדי לבלום את התקדמות הכוחות הניידים הסובייטיים אל העורף הגרמני.
ב-22 בנובמבר בלילה השתלטו כוחות החלוץ של קורפוס הטנקים ה-26 על גשר מרכזי על הדון ליד העיר קאלאץ, ואפשרו לשאר הכוחות הניידים של החזית הדרום-מערבית לחצות את הנהר. ב-23 בחודש בשעות הערב חברו כוחות החלוץ של חזית סטלינגרד עם כוחותיו של ואטוטין מדרום-מזרח לקאלאץ, ליד הכפר סוביטסקי, ובכך השלימו את כיתור הארמייה השישית וחלק מכוחות ארמיית הפאנצר הרביעית.