במקביל התקדמו כוחות קבוצת ארמיות A במהירות דרומה. הם השתלטו על אזור הקובן כולו וב-11 באוגוסט כבשו את העיר מייקופ והמשיכו משם אל חופי הים השחור. נדמה היה שאין כוח המסוגל למנוע מהם לכבוש את הקווקז כולו, אולם כשהכוחות הגרמניים הגיעו למרגלות הרי הקווקז הואטה התקדמותם וההתנגדות הסובייטית נעשתה נחושה ויעילה יותר, תוך ניצול תנאי השטח הקשים.
קרב סטאלינגרד.
ב-13 בספטמבר 1942 החלה המערכה בתוך העיר סטלינגרד. אגד כוחות גרמני, שכלל את הארמייה השישית וחלק מארמיית הפאנצר הרביעית תקף את העיר וניסה להשתלט עליה, אך נתקל בהתנגדות עיקשת מצד הארמייה הסובייטית ה-62, שהגנה על העיר, והסתבך בקרבות רחוב בתוך חורבות העיר, שנהרסה בסדרת הפצצות והפגזות גרמניות. חלק גדול מאגד הכוחות הגרמני באזור סטלינגרד, לא יכול היה להשתתף בלחימה בתוך העיר, מכיוון שרותק להגנה על שני אגפיו, שהותקפו על ידי כוחות סובייטיים חזקים. לאחר לחימה קשה שנמשכה כחודשיים, במהלכה ספגו שני הצדדים מאות אלפי נפגעים, הצליחו הגרמנים לכבוש למעלה מ-90 אחוז משטח העיר, ודחקו את הארמייה ה-62, בפיקוד וסילי צ'ויקוב, למספר כיסי התנגדות מבודדים, שעומקם המרבי לא עלה על קילומטר, כשגבה אל נהר הוולגה הקפוא. אולם המגינים הסובייטיים המשיכו להחזיק מעמד, בסיוע אש ארטילריה מסיבית מהגדה המזרחית של הוולגה, והכוחות הגרמניים, שנשחקו במהלך הלחימה בתוך סטלינגרד, לא היו מסוגלים להשלים את כיבוש העיר.
ההגנה על האגפים הארוכים והפגיעים של אגד הכוחות הגרמני באזור סטלינגרד, הופקדה בידי הארמיות הרומניות ה-3 וה-4, כוחות בעלי איכות ירודה, שסבלו ממחסור בנשק כבד ובנשק מסייע. ריתוק כמעט כל הכוחות הגרמניים באזור למערכה על סטלינגרד, איפשר לפיקוד העליון הסובייטי לרכז בחשאי כוחות עתודה גדולים וכמויות גדולות של ציוד כבד לצורך התקפת נגד גדולה. ב-19 בנובמבר 1942 נפתח "מבצע אורנוס", במסגרתו תקפו שלוש חזיתות סובייטיות, שכללו כמיליון חיילים בסיוע מאות טנקים את הכוחות הרומניים מראשי גשר מדרום לנהר דון וממערב לוולגה. תוך זמן קצר הובקעה החזית הרומנית, ולאחר 4 ימי לחימה חברו יחידות החלוץ של "חזית סטלינגרד" ו"החזית הדרום-מערבית" סמוך לקלאץ על נהר הדון, והשלימו את כיתור הכוחות הגרמנים באזור סטלינגרד, שכללו כ-300 אלף חיילים. הכוחות הגרמניים נסוגו לאזור מצומצם בין הנהרות דון ווולגה, והקימו שם מערך הגנה היקפי, שנודע לאחר מכן בכינוי "הקלחת".
היטלר פקד על הארמייה השישית שלא לעזוב את סטלינגרד, וניסה להעביר אליה אספקה בדרך האוויר. באמצע דצמבר 1942 נעשה מאמץ כושל לפרוץ את טבעת הכיתור הסובייטית, ולחבור אל הארמייה השישית, באמצעות כוחות שריון גרמניים בפיקוד הרמן הות, שתקפו מכיוון דרום. אולם הפיקוד הסובייטי הזרים לאזור תגבורות, שבלמו את המתקפה הגרמנית במרחק קצר מכיס סטלינגרד. הפיקוד הסובייטי הגיב במתקפה נוספת (מבצע סטורן קטן) שמחצה את הארמייה האיטלקית ה-8, ואילצה את אריך פון מאנשטיין, מפקד "קבוצת ארמיות דון", לנטוש את ניסיון החילוץ של הארמייה השישית, ולרכז את שארית כוחותיו להגנה על "פיתחת רוסטוב", כדי למנוע כיתור כל קבוצת ארמיות A הגרמנית באזור הקווקז. התקפת נגד גדולה של כוחות "חזית סטלינגרד", איימה לכתר את כוחותיו של הות, ואילצה אותם לסגת במהירות חזרה לעמדות המוצא שלהם, ולאחר מכן לקו נהר מאניץ.
ב-10 בינואר 1943 פתחו כוחות סובייטיים חזקים, בפיקוד קונסטנטין רוקוסובסקי, במתקפה הסופית על הכוחות הגרמניים הנצורים באזור סטלינגרד (מבצע "קלחת"). לאחר 3 שבועות של לחימה קשה, בהם נהרגו כ-100 אלף חיילים גרמנים, נכנעו שרידי הכוחות המכותרים ב-2 בפברואר 1943, ולמעלה מ-90 אלף חיילים נפלו בשבי הסובייטי.
כניעת הארמייה השישית היוותה נקודת מפנה חשובה, אולי החשובה ביותר, במלחמת העולם השנייה. האבדות הכבדות שספגו הגרמנים ובני בריתם במהלך הקרב על סטלינגרד היטו את מאזן הכוחות האסטרטגי בחזית המזרחית לטובת ברית המועצות.
קרב קורסק.
לאחר ניצחונם בקרב סטלינגרד התקדמו הכוחות הסובייטים בחזית הדרומית במהירות מערבה, וכוחות החלוץ של הצבא האדום פרצו לאגן הדונייץ והגיעו עד למרחק קצר מנהר דנייפר. אולם עד מהרה הפגין הצבא הגרמני יכולת התאוששות מרשימה. המתקפה הסובייטית הואטה, עקב הבעיות האופייניות למלחמת תנועה על פני שטחים נרחבים - התארכות קווי אספקה, בלאי מואץ של כלי הרכב, ואובדן התנופה. במרץ 1943 פתחה קבוצת ארמיות דרום בפיקודו של אריך פון מאנשטיין בהתקפת נגד רבת עוצמה, במהלכה נכבשו מחדש חרקוב, בלגורוד וחלק גדול מאגן הדון הצפוני, והחזית בדרום רוסיה התייצבה. משהגיע אביב 1943 היו הכוחות היריבים מתוחים על פני מאות קילומטרים של חזית רציפה מן הצפון עד הדרום, כאשר במרכז, בנקודה הרחוקה ביותר אליה הצליח הצבא הסובייטי להגיע במהלך מתקפת החורף שלו, נוצרה בליטה סובייטית גדולה בקו החזית מסביב לעיר קורסק.
מיבלט קורסק נראה לפיקוד העליון הגרמני כמקום האידיאלי להנחתת מהלומה מוחצת על הצבא הסובייטי בקיץ 1943. הגרמנים קיוו לכתר ולהשמיד את הכוחות הסובייטים הגדולים, שרוכזו בשטח הבליטה, באמצעות מתקפה מתמקדת בו זמנית מדרום ומצפון על אגפיה, ובכך להטות את מאזן הכוחות האסטרטגי בחזית המזרחית לטובת גרמניה.
הוורמאכט ניצל את התקופה הרגועה יחסית של אביב 1943 (עונת הפשרת השלגים) לתגבור כוחותיו בחזית המזרחית ולחימושם בציוד מדגמים חדישים. כוחות רעננים הוזרמו לחזית סביב בליטת קורסק, כשהם מצוידים בטנקים ובתותחים מתנייעים חדישים מסוג פנתר, טיגר ופרדיננד. אולם במקביל, גם הפיקוד הסובייטי, תוך ניצול מידע מודיעיני מדויק, דאג לתגבר את כוחותיו במבלט קורסק בתותחים ובשריון בקצב מהיר בהרבה מקצב התגבור של כוחות הוורמאכט שניצבו מולם. הצבא האדום ביצר היטב את שטח המבלט ויצר מערך הגנה לעומק, שכלל מספר רב של קווי הגנה מבוצרים, במטרה לספוג את עוצמת המתקפה הגרמנית הצפויה, ולשחוק את הכוחות התוקפים. בעומק מערך ההגנה הסובייטי הוצבו עתודות משוריינות רבות עוצמה, ככוח לביצוע התקפות נגד.
ב-5 ביולי 1943 פתח הצבא הגרמני בהתקפה תחת שם הקוד "מבצע ציטאדלה" (מבצע מצודה). הכוחות הגרמניים, שכללו 3 ארמיות מתוגברות, ניסו ללכוד את כוחות הצבא האדום בבליטת קורסק באמצעות תנועת מלקחיים. ההתקפה הגרמנית בצפון הבליטה לא הצליחה להשיג התקדמות משמעותית, ולאחר חמישה ימי לחימה נבלמה לגמרי, לאחר שהכוחות התוקפים ספגו אבדות כבדות. ב-12 בחודש עברו הכוחות הסובייטיים להתקפת נגד, שתוכננה מראש, על הכוחות הגרמניים שהחזיקו בבליטת אוריול מצפון לבליטת קורסק (מבצע קוטוזוב), ואילצו את הכוח התוקף לחזור לעמדות המוצא שלהם. ההתקפה הגרמנית בדרום בליטת קורסק זכתה להצלחה גדולה יותר, והצליחה לחדור לעומק של למעלה מ-30 קילומטר לפני שנבלמה על ידי כוחות עתודה סובייטיים שהוטלו למערכה, ובראשם הארמייה המשוריינת החמישית של המשמר (הגוורדיה). עד 23 ביולי נאלץ גם הכוח הגרמני בדרום הבליטה לחזור לעמדות המוצא שלו. ב-3 באוגוסט פתח הצבא הסובייטי במתקפה מדרום לבליטת קורסק (מבצע רומיאנצב), ולקראת סוף אוגוסט הצליח לשחרר את העיר חרקוב. במקביל המשיכו הכוחות הסובייטיים במתקפתם מצפון לבליטת קורסק, ועד 18 באוגוסט נאלצו הגרמנים לסגת מכל שטח בליטת אוריול.
על אף שאבדות הצד הסובייטי במהלך המערכה סביב מבלט קורסק, היו גדולות בהרבה מאבדות הצד הגרמני, התוצאה הסופית של הקרב הייתה ניצחון אסטרטגי סובייטי מכריע. ניתן לומר, שקרב קורסק היה נקודת המפנה המשמעותית ביותר במלחמה בחזית המזרחית. הגרמנים לא יכלו להרשות לעצמם את האבדות שספגו כוחותיהם הניידים במהלך הקרב (כ-1,600 טנקים ותותחי סער הושמדו או ניזוקו בדרגות שונות). הם איבדו את היוזמה האסטרטגית בחזית המזרחית ונאלצו לעבור למגננה עד לסוף המלחמה. הייתה זו הפעם הראשונה שהצבא האדום הוכיח את יכולתו להתמודד כשווה מול שווה מול הצבא הגרמני, והצליח לבלום את מתקפת הקיץ הגרמנית. קרב קורסק ידוע גם כקרב הטנקים הגדול ביותר בהיסטוריה. השתתפו בו למעלה מ-6,000 טנקים ותותחים מתנייעים משני הצדדים, שלחמו בשטח מצומצם יחסית.
ההתקדמות לאחר קורסק - כיבושה מחדש של אוקראינה.
לאחר קרב קורסק פתח הצבא האדום במתקפה לכל אורך החזית מסמולנסק דרומה. הצבא הגרמני בחזית המזרחית, שנחלש בעקבות האבדות שספג בחודשים יולי-אוגוסט 1943, פתח בנסיגה איטית לקו נהר הדנייפר תוך ביצוע פעולות השהיה. הסובייטים כבשו מחדש את אזור דונבאס, ועד לסוף ספטמבר הגיעו כוחותיהם עד לקו נהר הדנייפר כמעט לכל אורכו.
הגרמנים ניסו להקים קו הגנה מבוצר לאורך הגדה המערבית של הדנייפר, והאמינו שיוכלו לעצור שם את המשך ההתקדמות הסובייטית, אך לא הספיקו להשלים אותו. כוחות הצבא האדום חצו את הנהר תוך כדי תנועה במסגרת קרב דנייפר, והצליחו להקים מספר רב של ראשי גשר קטנים בגדה המערבית של הנהר. בראשית נובמבר פרצו הכוחות הסובייטיים מראש גשר בו החזיקו מצפון לעיר קייב וב-6 בחודש שחררו את בירת אוקראינה. למרות התקפת נגד גרמנית מוצלחת באזור העיר ז'יטומיר בדצמבר 1943, הצליח הצבא האדום להשתלט עד לסוף השנה על שטחים נרחבים בגדה המערבית של הדנייפר, והשלים את שחרור כל שטח אוקראינה המזרחית.