Phương diện quân Stalingrad mới này được biên chế các tập đoàn quân 28, 51, 57, 62, 64 và tập đoàn quân không quân số 8. Trong tháng 11 năm 1942, Hồng quân Liên Xô khởi động Chiến dịch Sao Thiên Vương, với sự tham gia của 3 phương diện quân Tây Nam, Sông Don và Stalingrad. Kết quả là cụm quân 330.000 quân của Đức Quốc xã gần Stalingrad bị vây chặt. Trong tháng 12 năm 1942, các lực lượng thuộc Phương diện quân Stalingrad đã thực hiện nhiều phản công nhằm tiêu diệt sinh lực của cụm quân Đức bị bao vây tại Stalingrad cũng như đánh bại mọi nỗ lực của quân Đức nhằm giải vây cho cánh quân này.