ماه ژانویه سال ۱۹۴۲ به فرماندهی ارتش ششم رسید و در تابستان آن سال، حمله این ارتش به استالینگراد را فرماندهی کرد. نیروهای پائولوس به مدت ۳ ماه با مدافعان شوروی در نبرد استالینگراد درگیر نبرد شهری بودند. ماه نوامبر ۱۹۴۲، ارتش سرخ با اجرای عملیات اورانوس نیروهای محور شامل ۲۵۰ تا ۳۰۰ هزار نفر را در استالینگراد به محاصره درآورد. پائولوس از فرمان آدولف هیتلر، پیشوای آلمان، مبنی بر مقاومت در استالینگراد در هر شرایطی اطاعت کرد. تلاش گروه ارتش دن به فرماندهی فیلدمارشال اریش فن مانشتاین در ماه دسامبر سال ۱۹۴۲ برای شکستن محاصره ارتش ششم شکست خورد و نیروی ارتش ششم نیز برای مقابله با نیروهای محاصره‌کننده تحلیل رفت. علی‌رغم اصرار فن مانشتاین بر اقدام ارتش ششم برای خروج از استالینگراد و شکستن محاصره از داخل به عنوان تنها راه موفقیت، هیتلر مانع از این حرکت شد. در این شرایط، سوخت ارتش پائولوس تنها برای یک جابجایی ۲۰ کیلومتری کافی بود. درهرصورت، به ارتش ششم اجازه خروج از محاصره داده نشد. کورت سایتسلر، رئیس جدید ستاد نیروی زمینی آلمان، نهایتاً موفق شد موافقت هیتلر مبنی بر خروج پائولوس از محاصره را بگیرد اما این اقدام مشروط به این شد که این ارتش در عین حال مواضع تصرف شده در استالینگراد را حفظ کند که در عمل غیرممکن بود.