In der ersten Septemberhälfte war er zeitweilig Repräsentant der Stawka bei der Stalingrader Front, wo er eine Offensive gegen die deutsche 6. Armee leitete, die letztlich nicht zum erhofften Erfolg führte. Zusammen mit dem Chef des Generalstabs, Generaloberst Alexander Wassilewski, arbeitete er danach die Vorbereitung einer großangelegten Umfassungsoperation bei Stalingrad aus. Als am 19. November diese Gegenoffensive der Roten Armee begann, von der man die Einschließung von sieben deutschen Divisionen erwartete, koordinierte allerdings Wassilewski diese Operation. Schukow koordinierte den Angriff Westfront und Kalininer Front der Operation Mars. Laut Generalleutnant Pawel Anatoljewitsch Sudoplatow, dem Chef der Abteilung der Aufklärung NKWD, wurde diese Operation gezielt den Deutschen verraten, damit sie mehr Kräfte bei Rschew konzentrieren als bei Stalingrad. Schukow erfuhr es nie. Während Wassilewskis Angriff ein voller Erfolg wurde und die Kriegswende einleitete, hatte die Rote Armee zwar im Unternehmen Mars das Ziel nicht erreicht, den Brückenkopf Rschew zu beseitigen, durch ihre Aktionen aber das deutsche Oberkommando gehindert, von diesem Abschnitt beträchtliche Verstärkungen in den Raum Stalingrad abzuziehen. Im Gegenteil mussten die Deutschen dort zusätzlich vier Panzerdivisionen und eine motorisierte Division einsetzen, um das Aufmarschgebiet Rschew-Wjasma zu halten.