בשל העובדה כי הכוחות הגרמנים בסטלינגרד היו זקוקים לעזרה, העביר הפיקוד הגרמני העליון רבים מחייליו של דומיטרסקו לסייע לכוחות הלוחמים בעיר, ובעקבות כך נותרו לארמייה השלישית פחות חיילים להגן בקווים הקדמיים. ב-19 בנובמבר 1942 עם שחר פתחה החזית הדרום-מערבית, בפיקודו של ניקולאי ואטוטין, במתקפה על עמדות הארמייה הרומנית השלישית על נהר הדון, כ-160 ק"מ מצפון-מערב לסטלינגרד. הארמייה הרומנית השלישית לא היוותה יריב של ממש לכוחות התוקפים; היא הייתה פרוסה בדלילות על פני חזית ארוכה, ומעט תותחי הנ"ט שעמדו לרשותה היו ברובם מדגמים מיושנים, שלא היו מסוגלים להבקיע את השריון של טנקי ה-T-34 הסובייטיים. חלק מהיחידות הרומניות גילו התנגדות עזה ובלמו את המתקפה הסובייטית במספר גזרות, אולם לאחר שקורפוסי הטנקים הוטלו למערכה, הובקעה החזית הרומנית והכוחות הניידים הסובייטיים החלו בהתקדמות מהירה בכיוון דרום-מזרח, במטרה לכתר את הכוחות הגרמניים בעורפם. עד מהרה נהדפו כוחותיו של דומיטרסקו, והסובייטים כיתרו את כוחות הארמייה הגרמנית השישית בסטלינגרד. במשך תקופה קצרה לחמה הארמייה השלישית ליד הנהר צ'יר, אולם הכוחות הסובייטים הדפה אותה בחזרה, ובדצמבר 1942 התקבלה החלטה אסטרטגית לסגת מערבה.