Anfang November hatte die Wehrmacht 90 Prozent des Stadtgebiets erobert. Doch gelang die vollständige Eroberung der Stadt aufgrund des fortgesetzten Widerstands der Roten Armee nicht, obgleich Hitler in seiner Rede am 8. November 1942 die Schlacht als weitgehend gewonnen darstellte. Stattdessen wurden die deutschen Truppen und ihre Verbündeten (vor allem Rumänen und Kroaten) am 19. November 1942 durch die sowjetische Gegenoffensive „Operation Uranus“ eingekesselt. Ein deutscher Entsatzversuch mit dem „Unternehmen Wintergewitter“ scheiterte. Am 31. Januar 1943 (Südkessel unter Gen. Paulus), bzw. 2. Februar 1943 (Nordkessel unter Gen. Karl Strecker) stellten die Reste der Sechsten Armee unter Generalfeldmarschall Friedrich Paulus die Kampfhandlungen ein. Um die 108.000 deutsche und verbündete Soldaten gingen in Gefangenschaft. Während der Kämpfe wurde die Stadt nahezu vollständig zerstört. Mit dem Wiederaufbau wurde unmittelbar nach der Befreiung im Februar 1943 begonnen. Im selben Jahr wurde auch die Städtepartnerschaft mit dem englischen Coventry geschlossen. 1945 wurde der Stadt der offizielle Titel Heldenstadt durch die Führung der Sowjetunion verliehen.