عملية أورانوس
استمرار العمليات: 20-23 نوفمبر

بينما شنت جبهة ستالينجراد هجماتها في 20 نوفمبر، استمر الجيش 65 السوفيتي في الضغط على الفيلق 11 الألماني على طول الجهة الشمالية من أجناب الجيش السادس. وتقدم فيلق 4 دبابات التابع للجيش الأحمر إلى ما وراء الفيلق 11 الألماني، فيما اشتبك فيلق 3 الحرس الخيالة مع وحدات المؤخرة الألمانية. وبدأت الفرقة 376 مشاة الألمانية والفرقة 44 النمساوية في إعادة الانتشار لمواجهة العدو القادم من المؤخرة، لكن إعادة الانتشار هذه أعاقها نقص الوقود. تمكن فوج الدبابات المتبقي بالفرقة 14 دبابات من تدمير فوج مهاجم تابع للفيلق 3 حرس الخيالة، لكن مدفعية الفوج الألماني تضررت كثيرًا بعد اكتساح القوات السوفيتية. وفي نهاية اليوم كان فيلق 1 دبابات السوفيتي يطارد الفيلق 48 دبابات المنسحب، فيما استولى فليق 26 دبابات السوفيتي على بلدة برلازفسكي التي تبعد مسافة 130 كلم شمال شرق ستالينجراد.
استمر هجوم الجيش الأحمر إلى 21 نوفمبر، حققت قوات جبهة ستالينجراد اختراقات تصل إلى 50 كلم. وفي هذه المرحلة من القتال، كانت القوات الرومانية المتبقية في الشمال تتعرض للتدمير في معارك منفصلة، بينما بدأ الجيش الأحمر في الاشتباك مع أجناب الجيش الرابع دبابات والجيش السادس الألمانيين. الفرقة 22 دبابات الألمانية حاولت القيام بهجوم قصير مضاد، إلا أن قوتها كانت بالكاد تتجاوز قوة سرية دبابات واحدة وأُجبرت الفرقة على الانسحاب في الاتجاه الجنوبي الغربي. وبعد أن دمر جزءًا كبيرًا من الفرقة الأولى المدرعة الرومانية، استمر جيش الدبابات 26 السوفيتي في التقدم بالاتجاه الجنوبي الشرقي، متفاديًا الاشتباك مع وحدات العدو التي تجاوزها، مع أن الفيلق الخامس الروماني كان قد تمكن من تجهيز دفاع على عجل أملًا في تعزيز لاحق من الفيلق 48 دبابات الألماني. في هذا اليوم تلقى الجنرال الألماني فريدريش باولوس تقارير تفيد باحتشاد السوفيت على مسافة أقل من 40 كلم من مقره، وأفادت التقارير بعدم توفر متبقية لصد الهجوم السوفيتي. في الجنوب، وبعد توقف قصير، واصل الفيلق 4 المؤلل السوفيتي تقدمه شمالًا، مكتسحًا الوحدات الألمانية في عدة بلدات على الطريق إلى ستالينجراد. وبينما كانت القوات الألمانية في ستالينجراد وجوارها في خطر، أمر هتلر القوات الألمانية في المنطقة باتخاذ وضع دفاعي وأصبحت القوات في منطقة الدون والفولجا يشار إليها باسم حصن ستالينجراد، عنى ذلك عدم السماح للقوات الألمانية بمحاولة فك الحصار. أصبحت قوات الجيش السادس ووحدات أخرى للمحور ومعظم الجيش الرابع دبابات الألماني واقعة جميعًا داخل الطوق السوفيتي المتنامي. استطاعت الفرقة 16 مشاة الألمانية الهرب من التطويق. أما الجيش الرابع الروماني، فقد تمكنت معظم وحداته من الإفلات من التدمير لسوء الاتصال بين وحدات الجيش الأحمر أثناء تقدمها في الاتجاه الجنوبي الشرقي.
في 22 نوفمبر، بدأت القوات السوفيتية في عبور نهر الدون مكملة تقدمها باتجاه مدينة كالاخ. القوات الألمانية المدافعة عن هذه المدينة، وكان أغلبها من وحدات الصيانة والإمداد، لم تكن على علم بالهجوم السوفيتي حتى 21 نوفمبر، وحتى بعد معرفتها لم يكن حجم القوة السوفيتية المهاجمة معلومًا. أُسندت مهمة الاستيلاء على جسر كالاخ إلى فيلق الدبابات 26 السوفيتي، واستخدم هذا الفيلق دباباتين ألمانيتين ومركبة استطلاع للاقتراب من الجسر وإطلاق النار على الحرس. وصلت القوات السوفيتية إلى البلدة في منتصف النهار وأجبرت المدافعين على الخروج منها، ما سمح بربط الفيلقين 26 و4 دبابات مع الفيلق المؤلل الرابع القادم من الجنوب. واكتمل تطويق القوات الألمانية في ستالينجراد في 22 نوفمبر 1942. في هذا اليوم، واصلت القوات السوفيتية القتال ضد جيوب للمقاومة الرومانية، كان الفيلق الخامس الروماني أحد المشاركين فيها.
استمر القتال في 23 نوفمبر حيث حاول الألمان بغير جدوى تنفيذ هجمات مضادة صغيرة لكسر الحصار. وبحلول ذلك الوقت، اتجه أفراد وحدات المحور إلى الشرق باتجاه ستالينجراد لتفادي الدبابات السوفيتية، فيما اتجه الهاربون من التطويق إلى الغرب باتجاه وحدات ألمانية ووحدات أخرى للمحور.