הפיקוד הסובייטי הגיב במהירות למתקפה הגרמנית החדשה. הסטאבקה דחתה את מועד המבצע המתוכנן לחיסול כיס סטלינגרד, ושינתה את יעדיו של מבצע סטורן (שנועד להתחיל ב-16 בדצמבר), כדי לשחרר כוחות לתיגבור הכוחות הסובייטיים, שניצבו מול ארמיית הפאנצר הרביעית. ב-13 בדצמבר נעתר סטלין לבקשת אנדריי יריומנקו מפקד חזית סטלינגרד ואלכסנדר ואסילבסקי, נציג הסטאבקה באזור סטלינגרד, להעביר את ארמיית המשמר השנייה הרעננה, שכללה 6 דיוויזיות רגלים וקורפוס ממוכן אחד (כ-90 אלף חיילים), תחת פיקודו, כדי לסייע בבלימת המתקפה הגרמנית. הארמייה נאלצה לעבור מרחק של למעלה מ-180 ק"מ מהעבר המזרחי של הוולגה בתנאי מזג אוויר קשים כדי להגיע ליעדה, והגעתה התעכבה למשך מספר ימים קריטיים. באותו יום הורה יריומנקו לקורפוס הממוכן ה-4 ולדיוויזיה ה-187 מארמיית ההלם החמישית, וכן לקורפוס הממוכן ה-13 מעתודת החזית, לנוע דרומה במטרה להנחית התקפת נגד על כוחות החלוץ הגרמניים.
ב-14 וב-15 בדצמבר ערך הקורפוס הממוכן ה-4 המתוגבר, שורת התקפות נגד עזות על הכוח הגרמני שהחזיק בורחניה קומסקי, ובמקביל חצתה בריגדה אחת שלו את נהר אקסאי, ואיימה על עורפם של הכוחות הגרמניים, שהקימו ראש גשר בגדה הצפונית של הנהר. ברמה סביב הכפר התפתח קרב שריון גדול. ב-15 בחודש נאלצו הגרמנים לפנות את ורחניה קומסקי, ולסגת חזרה לראש הגשר שלהם על נהר אקסאי, לאחר שספגו אבדות כבדות בשריון (19 טנקים הושמדו לחלוטין, ורבים אחרים ניזוקו). מתקפת הנגד הסובייטית המוצלחת עיכבה את המשך ההתקדמות הגרמנית במספר ימים, ואיפשרה לפיקוד הסובייטי להזרים כוחות עתודה חזקים לזירת המערכה. דיוויזיית הפאנצר ה-6 נותרה בשלב זה עם כ-40 טנקים מבצעיים בלבד. ב-17 וב-18 בדצמבר חידשו דיוויזיית הפאנצר ה-6 וצוות קרב מדיוויזיית הפאנצר ה-23 את ההתקפה על ורחניה קומסקי, אך כל ניסיונותיהם לכבוש מחדש את הרמה שמדרום לכפר נכשלו.
ב- 19 בדצמבר חודשה ההתקדמות הגרמנית, לאחר שכוחו של הות תוגבר על ידי דיוויזיית הפאנצר ה-17 החלשה, שכללה 54 טנקים. לאחר יומיים של לחימה הצליח הכוח הגרמני המתוגבר, בסיוע מאות גיחות של מטוסי צי האוויר הרביעי להגיע עד לנהר מישקובה, כ-50 ק"מ בלבד מכוחות הארמייה השישית בכיס סטלינגרד, ואף להקים ראש גשר מעבר לנהר. אולם כוחות החלוץ של ארמיית המשמר השנייה הגיעו בזמן כדי לבלום את המשך התקדמות הגרמנית, בסיוע כוחות מארמיית ההלם החמישית.
מבצע "סטורן קטן".
המתקפה הגרמנית מדרום לסטלינגרד (מבצע "סופת חורף"), יחד עם העובדה שהכוחות הגרמניים הנצורים בכיס סטלינגרד ריתקו חלק גדול מהכוחות הסובייטיים, גרמו לפיקוד הסובייטי לשנות את תוכניותיו האסטרטגיות להמשך המתקפה בחזית הדרום. לפי התוכנית המקורית, במסגרת מבצע סטורן, נועדו הכוחות הסובייטיים העיקריים לנצל את הצלחת מבצע אורנוס כדי להמשיך במתקפה בכיוון דרום-מערב במטרה להגיע לים אזוב ולנתק את הכוחות הגרמניים באזור הקווקז. אולם סטלין, שחשש מהאפשרות שהגרמנים יצליחו לפרוץ את טבעת הכיתור הסובייטית, ולחלץ את הארמייה השישית, הורה לוואסילבסקי להעניק עדיפות ראשונה למשימת חיסול הכוחות הגרמניים הנצורים בסטלינגרד, ולבצע את מבצע סטורן באמצעות כוחות החזית הדרום-מערבית בלבד.
הפיקוד הסובייטי החליט להסתפק בגרסה מצומצמת של מבצע סטורן, שקיבלה את שם הקוד מבצע סטורן קטן. במסגרת המבצע נועדו שלוש ארמיות של החזית הדרום-מערבית, שאחת מהן, הארמייה השישית, סופחה אליה מחזית וורונז' לצורך המבצע, 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.
המתקפה הסובייטית נפתחה ב-16 בדצמבר. המהלומה העיקרית הונחתה על עמדות הארמייה השמינית של הצבא האיטלקי על נהר הדון. לאחר יומיים של לחימה התמוטטה ההתנגדות האיטלקית, והכוחות הניידים הסובייטיים, שכללו 4 קורפוסי טנקים וקורפוס ממונע, 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 (שאיבדה כמחצית מכוחה) ואת שרידי הארמייה הרומנית השלישית, והסבו אבדות כבדות לפלגת הארמייה הולידט. קורפוס הטנקים הסובייטי ה-24 התקדם למעלה מ-300 ק"מ תוך שישה ימים. ב-24 בדצמבר עם שחר תקף הקורפוס את שדה התעופה הגרמני בטצ'ינסקאיה, הבסיס העיקרי של מטוסי התובלה שהעבירו אספקה לסטלינגרד, השמיד מטוסים רבים בעודם על הקרקע, ואילץ את הנותרים לפנות בבהילות את שדה התעופה. הגרמנים הודו באובדן 72 מטוסי תובלה בהתקפה, ונאלצו לעבור להשתמש בשדה התעופה בסאלסק, במרחק כ-300 ק"מ מסטלינגרד, כבסיס העיקרי של הרכבת האווירית לארמייה השישית.
הצלחת מבצע "סטורן קטן" העמידה את מאנשטיין בפני דילמה קשה - להמשיך במבצע סופת חורף, ולהסתכן בהתמוטטות קבוצת הארמיות שלו ובניתוק כוחותיו מעורפם, או להורות להות להפסיק את המאמץ לחבור לכוחות המכותרים בכיס סטלינגרד, לאחר שהגיע למרחק קצר מהכיס, ולהעביר חלק מכוחו מערבה, כדי לסייע בבלימת המתקפה הסובייטית החדשה ובייצוב החזית הגרמנית באזור הדון. בשלב ראשון, נאלץ מאנשטיין לנטוש את תוכניתו לתקוף עם קורפוס הפאנצר ה-48 מאזור ניז'ני צ'ירסקאיה מזרחה, כדי לסייע לניסיון החילוץ של הות, והורה לקורפוס לנטוש את עמדותיו על נהר צ'יר ולנוע במהירות מערבה, כדי לבלום את פריצת הכוחות הניידים הסובייטיים דרומה.
ב-19 בדצמבר שלח מאנשטיין את מיור אייסמן, קצין המודיעין של קבוצת ארמיות דון, לכיס סטלינגרד, במטרה להכין את פיקוד הארמייה השישית לביצוע "מבצע דונרשלג" (הלמות רעם), שם הקוד שניתן לפריצה החוצה של כוחות הארמייה דרך טבעת הכיתור הסובייטית, במטרה לחבור לכוח החילוץ של הות. אולם מפקד הארמייה השישית, פרידריך פאולוס, וראש המטה שלו, ארתור שמיט (שהיה נאצי קנאי) התנגדו לעריכת המבצע והעלו תירוצים שונים מדוע לא ניתן לבצעו. בתחילה הם טענו שיידרשו מספר ימים כדי להכין את מבצע הפריצה החוצה, ולאחר מכן טענו שהמבצע בלתי אפשרי עקב מצבם הפיזי הירוד של הגייסות והמחסור בדלק. נראה שהסיבה העיקרית להתנגדות פאולוס ושמיט לפריצה החוצה מכיס סטלינגרד הייתה, שמהלך כזה היה מנוגד לפקודה המפורשת של היטלר להמשיך להחזיק בסטלינגרד בכל מחיר. מאנשטיין מצדו, לא העז לתת פקודה חד משמעית לפאולוס לבצע את מבצע "דונרשלג", מבלי שקיבל אישור לכך מהיטלר ומהפיקוד הגרמני העליון.
במשך היומיים הבאים ניסה מאנשטיין ללא הצלחה לקבל אישור מהיטלר לפינוי כיס סטלינגרד. בינתיים ספגו כוחותיו של הות אבדות כבדות בלחימה סביב ראש הגשר שלהם מצפון לנהר מישקובה, ומצבה של קבוצת הארמיות דון הידרדר במהירות נוכח המשך התקדמות הכוחות הניידים הסובייטיים לאזורי העורף שלה. לבסוף, ב-23 בדצמבר בערב הורה מאנשטיין להות להתחיל לסגת לקו נהר אקסאי, ולהעביר את דיוויזיית הפאנצר ה-6 (שכללה את רוב כלי הרכב המשוריינים שנותרו להות) מערבה, כדי לתגבר את קורפוס הפאנצר ה-48.
למחרת פתחו הארמייה ה-51 וארמיית המשמר השנייה, שתוגברו עד שכללו כ-150 אלף חיילים ו-630 טנקים, במתקפת נגד חזקה מדרום לסטלינגרד. המתקפה הסובייטית העיקרית הונחתה על הכוחות הרומניים, שהגנו על האגף המזרחי של קורפוס הפאנצר ה-57, גרמה להם אבדות כבדות ואילצה את כוחותיו של הות לסגת במהירות לעמדות המוצא שלהם כדי להינצל מכיתור. ב-29 בדצמבר נאלצו שארית כוחות הציר לפנות גם את קוטלניקובו ולסגת לעבר נהר סאל. כישלון מבצע החילוץ של הות, ביחד עם הצלחת מבצע "סטורן קטן", שאילץ את מאנשטיין להתרכז במאמץ למנוע מהכוחות הסובייטיים להגיע לים אזוב ולסגור את פתחת רוסטוב, חרצו למעשה את גורל הארמייה השישית הנצורה בסטלינגרד.
קיימת מחלוקת היסטורית סביב השאלה, האם הארמייה השישית הייתה צריכה לנסות לפרוץ החוצה מ"כיס סטלינגרד" במהלך חמשת הימים (19 - 23 בדצמבר) בהם נמצאו כוחותיו של הות במרחק קצר יחסית ממנה. בראייה לאחור, פריצה החוצה הייתה הסיכוי היחיד להציל לפחות חלק מכוחות הארמייה מהשמדה. אולם נראה שסיכויי ההצלחה של מהלך כזה היו קלושים. הארמייה השישית סבלה ממחסור חמור בדלק, ונותרו ברשותה רק מעט טנקים כשירים לתנועה. ניסיון לפריצה רגלית, תוך נטישת רוב כלי הרכב הממונעים, מול כוחות סובייטיים עדיפים בהרבה, היה הימור מסוכן, שהיה עלול להסתיים בהשמדת רוב הכוחות הפורצים בערבה השטוחה מדרום לסטלינגרד. השמדת הארמייה השישית הייתה משחררת כוחות סובייטיים חזקים, שרותקו למצור על כיס סטלינגרד, ואולי אף מאפשרת לצבא הסובייטי לנתק ולהשמיד את קבוצת ארמיות A באזור הקווקז.
חיסול הכוחות הגרמניים בכיס סטלינגרד.