כבר בראשית דצמבר 1942 ניסו הכוחות הסובייטיים לחסל את הכוחות הגרמניים המכותרים בכיס סטלינגרד. אולם המתקפה נכשלה, תוך אבדות כבדות, משום שלא הוכנה כראוי. המודיעין הסובייטי העריך בטעות שבתוך כיס סטלינגרד מצויים כ-80 אלף חיילים גרמנים בלבד, וכתוצאה מכך סבר הפיקוד הסובייטי שניתן יהיה לחסל את הכוח המכותר בקלות יחסית. בעקבות כישלון ההתקפה הראשונה על כיס סטלינגרד הבין הפיקוד העליון הסובייטי, שיש צורך לרכז כוחות גדולים, ולתגבר את כוחותיו בטבעת הכיתור הפנימית, כדי להשלים את חיסול אגד הכוחות הגרמני המכותר. קונסטנטין רוקוסובסקי, מפקד חזית הדון ואחד המפקדים המוכשרים ביותר של הצבא האדום, קיבל את הפיקוד על הכוחות, שנועדו לבצע את המתקפה הסופית על כיס סטלינגרד, והופקד על תכנון המבצע. אולם קשיים לוגיסטיים והעברת חלק מכוחות העתודה הסובייטיים דרומה כדי להדוף את ניסיון החילוץ של הרמן הות באמצע דצמבר, גרמו לדחיית המתקפה הסובייטית על כוחות הארמייה השישית לראשית ינואר 1943.
כישלון ניסיון החילוץ של הות פגע קשות במורל של חיילי הארמייה השישית הנצורים בכיס סטלינגרד. עד אמצע דצמבר הם עדיין היו במצב פיזי סביר, אף על פי שמנת המזון שניתנה להם קוצצה פעם אחר פעם. אולם ככל שהתארך המצור ומזג האוויר החורפי נעשה קשה יותר, החמיר מצבם של החיילים הנצורים, והם החלו למות במספרים גדולים. בסוף דצמבר כבר צנחו הטמפרטורות אל מתחת למינוס 20 מעלות, וחיילי הארמייה השישית, שלא היו מצוידים כראוי בבגדי חורף, החלו לסבול מכוויות קור ומהיפותרמיה. המחסור החמור בדלק גרם לכך, שלא ניתן היה לחמם כראוי את העמדות והמחפורות של החיילים, ומרבית כלי הרכב הממונעים הושבתו.
בפרק הזמן שחלף בין השלמת כיתור הארמייה ה-6 (23 בנובמבר) לבין פתיחת המתקפה הסובייטית הסופית על כיס סטלינגרד (10 בינואר 1943) נספו לפחות 50 אלף חיילים בתוך הכיס, בנוסף לעשרות אלפי פצועים שפונו בדרך האוויר רובם הגדול מצאו את מותם כתוצאה משילוב קטלני של תת-תזונה, מחלות וחשיפה לקור. כאשר נפתחה לבסוף המתקפה הסובייטית הסופית, מרבית החיילים הגרמנים שנותרו בחיים היו במצב גופני קשה.
הפיקוד הסובייטי ריכז לקראת המתקפה הסופית על כיס סטלינגרד 47 דיוויזיות שכללו 280 אלף חיילים, כ-9,000 תותחים ומרגמות, 264 טנקים ו-400 מטוסים. הכוח התוקף לא נהנה מעדיפות מספרית גדולה על הכוחות הגרמניים הנצורים - שכללו בשלב זה פחות מ-200 אלף חיילים וכ-100 טנקים ותותחי סער מבצעיים - אך האחרונים סבלו מתת תזונה, מהעדר ציוד מתאים ללחימה בתנאי חורף וממחסור חמור בדלק ובתחמושת, ולכן התקשו להתגונן ביעילות.
ב-10 בינואר נפתח מבצע טבעת לחיסול כיס סטלינגרד בהפגזה עזה מאלפי תותחים ומטל"רים מדגם קטיושה. תוך שבוע כבשו הכוחות הסובייטיים כשני שלישים מהשטח של הכיס הגרמני, כולל שדה התעופה פיטומניק. רוב היחידות הגרמניות התגוננו בעוז ונלחמו עד הסוף, תוך שהן מסבות אבדות ניכרות לכוחות התוקפים (חזית הדון ספגה כ-22 אלף נפגעים בשבוע הראשון של המתקפה) ורק כמה אלפי חיילים נפלו בשבי. הכוחות הסובייטיים המשיכו להתקדם באיטיות, ולדחוק את שרידי הארמייה השישית מערבה אל חורבות סטלינגרד, שם המשיכה הארמייה ה-62 לתקוף את הכוחות שניצבו מולה. לאחר ארבעה ימים של התארגנות מחדש, פתחה חזית הדון ב-21 בינואר, במתקפה סופית על מה שנותר מהכיס הגרמני.
לקראת סוף ינואר החלה ההתנגדות הגרמנית להתפורר, והחיילים הגרמנים החלו להיכנע במספרים גדלים והולכים. ב-22 בחודש נפל שדה התעופה גומארק לידי כוחות הצבא האדום, ולמחרת נכבש גם מסלול הנחיתה האחרון שנותר בידי הגרמנים בסטלינגרדסקי. כתוצאה מכך, ניתן היה להמשיך להעביר אספקה לכיס סטלינגרד רק באמצעות הצנחה מהאוויר. ב-26 בחודש חברו יחידות מהארמייה ה-21 עם כוחות הארמייה ה-62 באזור תל מאמייב, והשלימו את ביתור כוחות הארמייה השישית לשניים. למרות מצבם הנואש המשיכו שרידי הכוחות הגרמניים להילחם בתוך חורבות סטלינגרד במשך שבוע נוסף. ב-31 בינואר נכנעו פאולוס (שהועלה ברגע האחרון לדרגת גנרל פלדמרשל על ידי היטלר) והכוחות הגרמניים בכיס הדרומי, אך הקורפוס ה-11 בחלקה הצפוני של העיר המשיך להילחם יומיים נוספים, ורק ב-2 בפברואר תמה הלחימה בסטלינגרד. פאולוס ועשרים ושניים גנרלים נוספים ועוד 91,000 חיילים גרמנים, רומנים ואיטלקים נשבו. כ-100 אלף חיילים נוספים מכוחות הציר נהרגו בלחימה או מתו מסיבות שונות במהלך חיסול כיס סטלינגרד. הצבא האדום לקח שלל כמויות עצומות של נשק וציוד כבד. מקורות סובייטיים טענו שבמהלך חיסול כיס סטלינגרד נלקחו שלל 750 מטוסים, 1,500 טנקים, 8,000 תותחים ומרגמות, ו-61,000 משאיות, אך אין ספק שמדובר במספרים מוגזמים מאוד. הכוחות הסובייטיים שהשתתפו ב"מבצע קלחת", ספגו במהלכו למעלה מ-50 אלף נפגעים ואיבדו כשני שלישים ממצבת הטנקים שהייתה להם בפתיחת המבצע.
החיילים שנלקחו בשבי בכיס סטלינגרד היו חלשים מרעב וממחלות, ולא קיבלו טיפול רפואי ראוי. חלקם נשלחו למחנות עבודה במזרח, שם מתו רבים מהם מתשישות ומרעב. כמה קצינים בכירים הוחזקו במוסקבה, ונוצלו לצורכי תעמולה. חלקם חתמו על הצהרות כנגד היטלר, ששודרו לכוחות הגרמנים. הגנרל ולטר פון זיידליץ-קורצבאך הציע אף להקים צבא גרמני אנטי נאצי מקרב השבויים, אך הצעתו נדחתה. רק כ-6,000 מהשבויים הצליחו לשרוד את השבי הסובייטי ולחזור לגרמניה, כשהאחרונים בהם שוחררו ב-1955.
הציבור הגרמני למד על גודל התבוסה רק בסוף ינואר 1943. משרד התעמולה של יוזף גבלס המשיך להסביר לגרמנים, עד שלב מאוחר בלחימה, כי הניצחון עדיין צפוי בחזית סטלינגרד. מספר שבועות לפני הכניעה נפסקו לפתע הדיווחים מהחזית, ולאחר מכן הוכרז על הכניעה. ב-18 בפברואר נאם גבלס בברלין את נאום "היכל הספורט", בו קרא לעם הגרמני להילחם "מלחמה טוטאלית" ולהקדיש לשם מטרה זו את כל משאביו.
סיכום.
הניצחון הסובייטי במערכה באזור סטלינגרד, היה אולי נקודת המפנה המשמעותית ביותר במלחמת העולם השנייה, לפחות במסגרת המערכה נגד גרמניה הנאצית. היה זה הניצחון המכריע הראשון של הצבא הסובייטי במלחמה נגד גרמניה ובעלי בריתה. לאחר קרב סטלינגרד עברה היוזמה האסטרטגית לידי הצד הסובייטי, שהחזיק בה עד לתום המלחמה (למעט מספר חודשים באביב ובקיץ 1943), והצבא הגרמני החל בנסיגתו הארוכה מהשטחים אותם כבש בברית המועצות.
התבוסה בקרב סטלינגרד וכניעת שרידי הארמייה השישית היוו מהלומה קשה לנאצים ולמדינות הציר. מנגד הם תרמו להעלאת "רוח הלחימה" (esprit de corps) של הצבא הסובייטי, ושימשו מקור לעידוד ולתקווה עבור עמי ברית המועצות, וכל השותפים במערכה נגד גרמניה הנאצית (כולל לוחמי המחתרות האנטי-נאציות ברחבי אירופה הכבושה). קרב סטלינגרד הוכיח בפעם הראשונה, שניתן להביס את גרמניה הנאצית. הצבא הגרמני לא הצליח להתאושש לחלוטין מהאבדות הכבדות בכוח אדם ובציוד צבאי שספג במהלך המערכה באזור סטלינגרד.
בנוסף להשמדת כמעט שתי ארמיות גרמניות, שנלכדו בכיס סטלינגרד, הצבא הסובייטי הביס לחלוטין ארבע ארמיות של בעלות בריתה של גרמניה הנאצית (רומניה, איטליה והונגריה), שכללו כ-50 דיוויזיות, במהלך מתקפת החורף שלו, וגרם להן מאות אלפי נפגעים. כתוצאה מכך נאלצה ההנהגה הנאצית להסכים להוצאת מרבית הכוחות של אותן מדינות מהחזית הסובייטית, ובכך הקטינה באופן משמעותי את היקף הכוחות שעמדו לרשות הפיקוד הגרמני בחזית המזרחית.
הגורם העיקרי לתבוסה הגרמנית במערכה על סטלינגרד היה היגררות הפיקוד הגרמני למערכת התשה ושחיקה, בשטח בו לא ניתן היה להביא לידי ביטוי את יתרונות הצבא הגרמני בניהול לוחמת תנועה ולנצל את עדיפותו בטנקים ובמטוסים, החלטה שנבעה בעיקרה משיקולים פוליטיים של היטלר. גורם שני היה הזלזול של הפיקוד הגרמני ביכולות של הצבא הסובייטי ובכושר ההתאוששות שלו. הפיקוד של הארמייה ה-62, לעומת זאת, השכיל לנצל בצורה אופטימלית את היתרונות שהקנו לו התנאים הייחודיים של הלוחמה בתוך חורבות סטלינגרד (לוחמה בשטח בנוי). ברמה האסטרטגית, הפיקוד הסובייטי העליון הוכיח את עדיפותו על הפיקוד הגרמני. עדיפות שבאה לידי ביטוי בתכנון ובביצוע של מתקפת הנגד באזור סטלינגרד, ולאחר מכן של מבצע סטורן הקטן ושל המבצעים ההתקפיים הסובייטיים באזור הדון העליון בחורף 1942/1943.
באופן פרדוקסלי, דווקא ההתקדמות המהירה של הכוחות הגרמניים בשלבים הראשונים של מתקפת הקיץ הגרמנית, והשטחים הנרחבים שנכבשו על ידם בדרום ברית המועצות בחודשים יולי-ספטמבר 1942, סייעו ליצירת התנאים לתבוסת כוחות הציר במערכה על סטלינגרד. הם אילצו את הפיקוד הגרמני (שסבל ממחסור בעתודות) למתוח את כוחותיו עד קצה גבול היכולת, כדי להחזיק בשטחים הכבושים החדשים, ולהסתמך יותר ויותר על צבאות המדינות הגרורות של גרמניה הנאצית, כדי להגן על האגפים החשופים של הכוחות הגרמניים. הסתמכות הפיקוד הגרמני על חיילות המשלוח של רומניה, איטליה והונגריה בחזית הסובייטית הוכחה כטעות גורלית, ותרמה תרומה מכריעה להצלחת המתקפות הסובייטיות באזור סטלינגרד והדון בחורף 1942/1943. גורם נוסף להצלחת מתקפת הנגד הסובייטית היה העדר עתודות ניידות חזקות באזורי העורף של קבוצת ארמיות B. שני הגורמים הללו מסבירים מדוע זכתה המתקפה הסובייטית בחזית הדרום להישגים מרשימים כל כך, בעוד שהמתקפה הסובייטית המקבילה על בליטת רז'ב בחזית המרכזית (מבצע מארס) נכשלה, ולא זכתה להישגים קרקעיים משמעותיים.
אבדות הצדדים היריבים.