In 1942 kreeg hij in de wintercrisis van Operatie Barbarossa het opperbevel over het 6e Leger. Zijn leger werd in november 1942 ingesloten bij Stalingrad. Na een mensonterende en uitzichtloze strijd capituleerde hij op 31 januari 1943. De laatste verzetshaarden werden 2 dagen later opgeruimd. Nochtans had Adolf Hitler het hem verschillende keren verboden om zich over te geven. Hitler had Paulus op de dag voor zijn overgave nog tot veldmaarschalk bevorderd, in de wetenschap dat een Duitse Generaal-veldmaarschalk zich nog nooit aan de vijand had overgegeven. De strijd had volgens zijn eigen opgave 400.000 Duitse soldaten het leven gekost.