Po uvoľnení svojich síl vojská Osi napredovali a prekročili rieku Don, obsadili Rostov-na-Donu a tam sa ich sily rozdelili. Časť vojsk (Skupina armád B) na čele s 6. armádou postupovala východným smerom na Stalingrad a Astrachaň, časť (Skupina armád A) sa vydala na juh cez rovinatú step ku Kaukazu. Porážkami pri Charkove oslabená Červená armáda, ktorá v tej dobe navyše čelila nedostatku ťažkých zbraní, v dôsledku evakuácie jej zbrojného priemyslu na východ bola nútená ustupovať. Stalin vydal v tejto kritickej situácii rozkaz č. 227, známy ako: „"Ani krok späť!"“ O mesto Stalingrad sa v nasledujúcom období rozpútali tvrdé pouličné boje, jedny z najurputnejších bojov celej vojny. Nemecké sily bojujúce o mesto utrpeli ťažké straty, ktoré nacistické velenie pre nedostatok záloh nedokázalo nahradiť. Narastali aj problémy so zásobovaním. V dôsledku nedostatku vlastných síl bolo nemecké velenie nútené po oboch stranách svojej hlavnej útočnej sily – nemeckej 6. armády, nasadiť slabšie rumunské, maďarské a talianske armády. Zatiaľ čo sa nemecké velenie sústredilo na boje v meste, sovieti nepozorovane zozbierali dostatok techniky, materiálu ako aj ľudských rezerv a prešli v druhej polovici novembra 1942 na oslabených krídlach nepriateľských vojsk bojujúcich v Stalingrade do protiútoku (tzv. operácia Uran). Časti nemeckej 4. tankovej a celá 6. poľná armáda sa dostali v priebehu 4 dní do obkľúčenia. Po Göringovom uistení, že letectvo zvládne zásobovať oslabenú armádu, Hitler nariadil držať vybojované pozície za každú cenu. Pokusy maršala Mansteina prísť im počas Vianoc na pomoc z juhu (tzv. operácia Wintergewitter), boli za ťažkých strát na oboch stranách odrazené. Tým sa vytvorili predpoklady na zničenie asi dvadsiatich nemeckých divízií uväznených v stalingradskom kotli.