V lednu 1942 se po smrti polního maršála Waltera von Reichenaua stal velitelem 6. armády, která v té době již působila na východní frontě v rámci skupiny armád Jih. V létě a na podzim téhož roku byla 6. armáda nasazena při operaci Blau. Od října 1942 tvořila útočný hrot Němců během bitvy o Stalingrad, jehož dobytí by znamenalo nejen získání strategicky důležitého průmyslového centra, ale i dosažení psychologického vítězství, neboť toto město neslo jméno sovětského diktátora. Tento plán však nevyšel, neboť sovětská obrana byla velice silná a Paulusova armáda byla o měsíc později, 23. listopadu 1942, obklíčena během sovětské operace Uran. Paulus začal v obklíčeném městě ihned plánovat průlom kotle, ale Hitler mu vydal rozkaz zůstat na místě a čekat na proražení obklíčení útokem zvenčí. Manstein zahájil operaci Zimní bouře ("Wintergewitter") s cílem osvobodit 6. armádu. Nikdo se k ní ale neprobojoval.