Més al nord, els alemanys van arribar al riu Volga el 20 d'agost i, tot seguit, van començar l'atac contra Stalingrad. Stalin va ordenar que la ciutat fos defensada a qualsevol preu i així va començar un setge que tindria importants conseqüències per al desenvolupament de la guerra. De carrer en carrer, durant 3 mesos, els alemanys van anar reduint el perímetre defensiu soviètic. Però el 19 de novembre, en el moment en què la batalla estava en el seu punt àlgid, els soviètics van llançar un contraatac en forma de pinça (Operació Urà) que va deixar el Sisè Exèrcit Alemany encerclat dins la ciutat. Hitler no va permetre que les seves tropes intentessin escapar del cercle, ja que això implicava abandonar la ciutat ja ocupada, i els soviètics van resistir tots els intents de trencar el setge des de fora. Durant mesos, els alemanys van enviar subministraments al 6è Exèrcit per aire, però només podien proporcionar-los una sisena part de les quantitats d'aliments i municions necessàries, i cap al final de l'any la situació dels assetjats era desesperada.