Hitler nektet den innesperrede tyske 6. armé å bryte ut, og insisterte på at slaget om byen skulle fortsette. Hermann Göring hevdet at Luftwaffe kunne forsyne styrkene og det ble opprettet en luftbro til byen, men det viste seg snart at dette langt fra var nok for de tyske troppene. Forsyningssituasjonen for tyskerne ble snart prekær, samtidig som sovjetiske angrep stadig presset den tyske lommen sammen. Andre tyske styrker som forsøkte å bryte beleiringen av de omringede styrkene, kom for sent og var for svake til å kunne hindre den tyske katastrofen. I løpet av januar ble situasjonen for de omringede styrkene desperat. De var i ferd med å slippe opp for mat og ammunisjon. Soldatene var sterkt utmattet av underernæring og den intense kulden. Mange enheter hadde ikke lenger noe overnattingskvarter og måtte sove ute. Stor mangel på helsepersonell og medisiner innebar at tusener av sårede ikke lenger kunne regne med hjelp. Den 31. januar 1943 så den tyske kommandanten Friedrich Paulus seg nødt til å kapitulere. Dette markerte slutten på den tyske ekspansjonen; heretter hadde Sovjetunionen det strategiske og psykologiske overtaket på østfronten. Det er antatt at 479 000 sovjetiske soldater ble drept eller tatt til fange under kampen om Stalingrad, mens 651 000 ble syke eller skadet. Tyskerne og deres allierte mistet over 500 000 mann som døde eller ble tatt til fange. Det tyske nederlaget i slaget om Stalingrad ble både i datid og ettertid, av både de allierte og aksemaktene, sett som et avgjørende vendepunkt i krigen.