מכלל הכוחות של שתי הארמיות הגרמניות שלחמו באזור סטלינגרד, רק דיוויזיה אחת, הדיוויזיה הממונעת ה-16, לא נפגעה כלל במהלך מתקפת הנגד הסובייטית, ונותרה מחוץ לטבעת הכיתור. בסך הכל כותרו באזור סטלינגרד 20 דיוויזיות גרמניות (כולל שלוש דיוויזיות פאנצר ושלוש דיוויזיות פאנצרגרנדיר) ושתי דיוויזיות רומניות, שכללו כ-290 אלף חיילים. במספר זה נכללו לפחות 20 אלף "היווים" - שבויים ועריקים סובייטיים ששירתו בשורות הצבא הגרמני, בדרך כלל בעבודות שירות ובתפקידים תומכי לחימה - ועוד כ-12 אלף חיילים רומניים, איטלקיים וקרואטיים, שנדחקו לכיס סטלינגרד במהלך מתקפת הנגד הסובייטית.
הכוחות הגרמניים נאלצו לסגת במהירות לשטח מצומצם יחסית, בין הנהרות וולגה ודון, כדי להגן על עורפם החשוף, תוך שהם סופגים אבדות כבדות (כולל מרבית הטנקים שלהם) ונוטשים אחריהם כמויות גדולות של ציוד צבאי ואספקה. הם הקימו מערך הגנה היקפי בצורת אליפסה מסביב לסטלינגרד, באזור שנודע אחר כך בכינוי "הקלחת". במהלך המתקפה הסובייטית נפלו בשבי כ-40 אלף חיילים רומניים וגרמניים. הארמייה הרומנית השלישית איבדה כמחצית מכוחה, ושרידיה נסוגו מערבה מעבר לנהר צ'יר, ואילו הארמייה הרביעית, שספגה אף היא אבדות כבדות, נאלצה לסגת לאזור קוטלניקובו, כ-150 ק"מ מדרום-מערב לסטלינגרד. תוך ימים ספורים יצר הצבא הסובייטי טבעת כיתור ברוחב 50–70 ק"מ מסביב לכוחות הנצורים, שכללה שני קווי הגנה, האחד פנה "פנימה" על מנת למנוע פריצה החוצה של הארמייה השישית, והשני פנה כלפי חוץ. את טבעת הכיתור הפנימית איישו שש ארמיות סובייטיות (לא כולל הארמייה ה-62), ואילו טבעת הכיתור החיצונית הוחזקה על ידי ארמיית המשמר הראשונה וארמיית הטנקים החמישית מהחזית הדרום-מערבית, שתפסו עמדות ממזרח לנהר צ'יר, וכן על ידי הארמייה ה-51 מחזית סטלינגרד, שנערכה למנוע ניסיון חילוץ מכיוון דרום.
הרכבת האווירית הגרמנית.
עוד ב-30 בספטמבר הצהיר היטלר בנאום פומבי כי הצבא הגרמני לא יעזוב את סטלינגרד לעולם. בישיבה במטהו של היטלר, שנערכה ב-20 בנובמבר, לפני שהכוחות הסובייטיים השלימו את כיתור הכוחות הגרמניים בסטלינגרד, הציעו מספר קצינים בכירים שהכוחות הגרמניים באזור סטלינגרד ינטשו את העיר, ויצרו קו הגנה חדש ממערב לנהר דון. אולם היטלר דבק במדיניות אי הנסיגה שלו, שהוכיחה עצמה במהלך המערכה באזור מוסקבה בחורף 1941/42, והתנגד לפינוי סטלינגרד משיקולים פוליטיים ומשיקולי יוקרה. היטלר לא היה בודד בהתנגדותו לנטישת סטלינגרד בקרב הפיקוד הגרמני. גם אריך פון מאנשטיין, שהגיע לאזור הדון ב-24 בנובמבר, יום לאחר סגירת טבעת הכיתור הסובייטית, שלח זמן קצר לאחר הגעתו הערכת מצב, לפיה הכוחות המכותרים אינם חייבים לפרוץ את הכיתור ולנטוש את העיר בשלב זה, אם כי הוא שינה את הערכתו בשלב מאוחר יותר.
במהלך הישיבה שאל היטלר את הנס ישונק, ראש המטה של הלופטוואפה, האם ניתן יהיה לצייד את הכוחות המכותרים בדרך האוויר באמצעות רכבת אווירית עד להגעת כוח חילוץ אליהם. ישונק ענה בחיוב,מתוך הבנה שמדובר בפרק זמן קצר. שנה לפני כן, בחורף 1941/1942, הצליח הלופטוואפה במבצע דומה, אם כי בקנה מידה קטן יותר, כאשר העביר אספקה לקורפוס גרמני מתוגבר שכותר ב"כיס דמיאנסק" באזור נובגורוד ואיפשר לו להחזיק מעמד במשך מספר חודשים. הרמן גרינג, מפקד הלופטוואפה, לא נכח בישיבה, אך בפגישה שקיים עם היטלר יומיים לאחר מכן, הוא תמך ברעיון הרכבת האווירית, והתחייב להעביר 500 טון אספקה ליום לכוחות הנצורים (המינימום הנדרש עמד בתחילה על 750 טון), על אף התנגדות מפקד צי האוויר הרביעי, וולפרם פון ריכטהופן. נראה כי ישונק וגרינג לא העריכו נכונה את גודל המטלה שנטלו על עצמם. הכוחות המכותרים בסטלינגרד היו שווי ערך לשתי ארמיות גרמניות, וכושר האספקה של מערך מטוסי התובלה של הלופטוואפה לא עלה על 300 טון ליום בתנאים אופטימליים.
חוסר היכולת של הלופטוואפה להעביר כמויות מספיקות של אספקה לכוחות המכותרים בסטלינגרד נחשף תוך זמן קצר. אש נ"מ חזקה והתקפות מטוסי הקרב הסובייטיים גרמו לאובדן מטוסי תובלה רבים, ותנאי מזג האוויר החורפי הוסיפו לקשיי הרכבת האווירית. במהלך 72 הימים בהם פעלה הרכבת האווירית סיפק חיל האוויר הגרמני לכוחות המכותרים בממוצע 117.6 טון אספקה ליום, פחות מרבע הכמות עליה התחייב גרינג. עובדה זו גרמה לכך שבשלבים הסופיים של המצור גוועו חיילים רבים מרעב בכיס סטלינגרד, והנותרים התקשו להילחם ביעילות עקב מחסור במזון, בדלק ובתחמושת.
התקדמות הכוחות הסובייטיים באזור הדון (מבצע סטורן קטן) אילצה את הלופטוואפה לנטוש את שדות התעופה הקדמיים מהם פעלה הרכבת האווירית, עובדה שפגעה עוד יותר ביכולתו להעביר כמויות אספקה גדולות לכוחות הנצורים. עם זאת, הרכבת האווירית הצליחה, למרות כל הקשיים, לפנות מסטלינגרד כ-30 אלף חיילים, רובם הגדול פצועים, ואפשרה לארמייה השישית להחזיק מעמד במשך יותר מחודשיים של לחימה, ובכך לרתק כוחות סובייטיים חזקים. המחיר ששילם חיל האוויר הגרמני היה כבד. 495 מטוסי תובלה ומפציצים, שהוסבו לצורך המשימה, הופלו עד סוף ינואר 1943. לפחות 150 מטוסים נוספים הושמדו על הקרקע בתקיפות של כוחות אוויר וקרקע סובייטיים על שדות התעופה, ששימשו כבסיסים להפעלת הרכבת האווירית.
ניסיון החילוץ של מאנשטיין (מבצע סערת חורף).
בעקבות כיתור הכוחות הגרמניים באזור סטלינגרד, כמעט לא נותרו כוחות גרמניים כשירים ללחימה במרחב העצום המשתרע בין נהר הדון בצפון, נהר מאניץ' בדרום, נהר צ'יר במזרח וים אזוב במערב. אילו היה הפיקוד הסובייטי מנצל באופן מיידי את הצלחתו, ופותח במתקפה גדולה לכיוון פיתחת רוסטוב, לא היו הגרמנים מסוגלים למנוע מהצבא האדום לנתק את כל קבוצת ארמיות A באזור הקווקז.
הפיקוד הגרמני העליון, שהבין את חומרת המצב, מינה את אריך פון מאנשטיין, ששימש מפקד הארמייה ה-11 באזור לנינגרד, למפקד קבוצת ארמיות חדשה, בשם קבוצת ארמיות דון. קבוצת הארמיות כללה את מה שנותר מהארמיות הרומניות השלישית והרביעית, את פלגת הארמייה הולידט, במסגרתה רוכזו כוחות עתודה גרמניים שנשלחו לאזור הדון, ואת שרידי ארמיית הפאנצר הרביעית. שתי המשימות העיקריות שהוטלו על מאנשטיין - שכוחותיו תוגברו על ידי יחידות גרמניות שהועברו אליו מאזור הקווקז ואף מעתודות הפיקוד העליון הגרמני במערב אירופה - היו לבלום את המשך ההתקדמות הרוסית מערבה לכיוון רוסטוב, ולארגן מבצע לחילוץ הכוחות הגרמניים הנצורים באזור סטלינגרד.
תוכניתו של מאנשטיין להצלת הארמייה השישית - שקיבלה את שם הקוד מבצע סערת חורף - נועדה לפרוץ את טבעת הכיתור הסובייטית וליצור מסדרון יבשתי לצורך העברת אספקה ותגבורות לארמייה הנצורה, שיאפשר לה להמשיך להחזיק בעמדותיה באזור סטלינגרד, בהתאם לפקודתו של היטלר. אולם מאנשטיין, שהבין היטב שהפקודה בלתי אפשרית לביצוע, הורה למטהו לגבש תוכנית חלופית, שכללה פריצה החוצה של כוחות הארמייה השישית מאזור סטלינגרד, בסיוע כוח החילוץ שיאורגן מקבוצת הארמיות שלו.
בתחילה תכנן מאנשטיין מתקפה דו-ראשית לפריצת טבעת הכיתור, כאשר כוח אחד (שנבנה סביב שרידי קורפוס הפאנצר ה-48) תוקף מזרחה מאזור נהר הצ'יר התחתון, ואילו כוח שני (המבוסס על קורפוס הפאנצר ה-57, שהועבר מחזית הקווקז) יתקוף צפונה מאזור קוטלניקובו. קורפוס הפאנצר ה-48, שתוגבר על ידי דיוויזיית הפאנצר ה-11, החזיק בראש גשר ממזרח לנהר צ'יר ליד ניז'ני צ'ירסקאיה, סמוך לנקודה בה נשפך הצ'יר לנהר הדון התחתון, במרחק כ-65 ק"מ בלבד מסטלינגרד, אולם שורת ההתקפות שניהלה ארמיית הטנקים החמישית נגד העמדות הגרמניות בגדה המערבית של הצ'יר החל מראשית דצמבר, אילצה אותו לעבור למגננה וריתקה את כוחותיו. בנוסף לכך, העריך מאנשטיין שהפיקוד הסובייטי מצפה שניסיון החילוץ הגרמני יבוא מכיוון מערב, וכוחותיו העיקריים ערוכים למנוע מהלך כזה. לכן החליט בסופו של דבר להנחית את המתקפה העיקרית מכיוון דרום, אף על פי שכוחות הציר באזור זה נמצאו במרחק כמעט 150 ק"מ מסטלינגרד.
הכוח הגרמני התוקף, תחת פיקודו של הרמן הות, מפקד ארמיית הפאנצר הרביעית, כלל שתי דיוויזיות פאנצר (כ-250 טנקים ותותחי סער), ושתי דיוויזיות שדה של הלופטוואפה (שהורכבו ברובן מחיילים חסרי ניסיון קרבי), בסיוע ארבע דיוויזיות רגלים ושתי דיוויזיות פרשים רומניות מהארמייה הרומנית הרביעית. גדוד פאנצר כבד, מצויד בטנקים כבדים חדשים מדגם טיגר, הגיע מאוחר מדי מכדי לקחת חלק במבצע החילוץ. הארמייה ה-51 הסובייטית, שהגנה על הגזרה המותקפת בטבעת הכיתור החיצונית מדרום לכיס סטלינגרד, הייתה חלשה יחסית. היא כללה רק 4 דיוויזיות חי"ר, בריגדת טנקים וקורפוס פרשים, שמנו כ-34 אלף חיילים ו-77 טנקים, ולא היוותה יריב של ממש לקורפוס הפאנצר ה-57 המתוגבר.
המתקפה הגרמנית נפתחה ב-12 בדצמבר, והפתיעה את הפיקוד הסובייטי, שלא ציפה למתקפה גרמנית מכיוון דרום, ולא העריך שמאנשטיין יצא למתקפה לפני השלמת ריכוז כוחות העתודה הגרמניים. ביומיים הראשונים של המתקפה התקדמו כוחותיו של הות במהירות, מול התנגדות סובייטית קלה. ב-13 בחודש תפסו כוחות החלוץ של דיוויזיית הפאנצר ה-6 גשר על נהר אקסאי יסאולובסקי, חצו את הנהר, והשתלטו על הכפר ורחניה קומסקי, במחצית הדרך בין נהר אקסאי לנהר מישקובה, מכשול המים האחרון, שנותר בינם לבין כיס סטלינגרד. הדיוויזיה ה-302 של הארמייה ה-51, שספגה את עיקר המהלומה הגרמנית, חדלה להתקיים ככוח לוחם.