מבצע אורנוס
המתקפה הסובייטית > המשך פעילות: 20–23 בנובמבר

בזמן שחזית סטלינגרד פתחה במתקפה ב-20 בנובמבר, הארמייה הסובייטית ה-65 המשיכה להפעיל לחץ על הקורפוס הגרמני ה-11 לאורך הכתף הצפונית של האגף של הארמייה השישית. קורפוס הטנקים הרביעי של הצבא האדום התקדם מעבר לקורפוס ה-11 הגרמני, בעוד שחיל הפרשים של המשמר השלישי התרסק בעורף היחידה הגרמנית. דיוויזיית הרגלים הגרמנית ה-376 ודיוויזיית הרגלים ה-44 האוסטרית החלו להיערך מחדש כדי להתמודד מול האויב על אגפיהן, אך הופרעו בשל מחסור בדלק. רגימנט הפאנצר של דיוויזיית הפאנצר ה-14 השמיד רגימנט אגף של קורפוס הפרשים של המשמר ה-3 הסובייטי, אך יחידת הנ"ט שלו ספגה אבדות כבדות כאשר נדרסה על ידי הכוחות הסובייטיים. עד סוף היום קורפוס הטנקים הסובייטי ה-1 רדף אחרי קורפוס הפאנצר ה-48 הנסוג, בעוד שקורפוס הטנקים הסובייטי ה-26 כבש את העיירה פרלזובסקי, כמעט 130 קילומטרים (81 מיל) מצפון-מערב לסטלינגרד.
המתקפה של הצבא האדום נמשכה ב-21 בנובמבר, כאשר כוחות חזית סטלינגרד השיגו חדירות של עד 50 קילומטרים (31 מיל). בשלב זה היחידות הרומניות הנותרות בצפון הושמדו בקרבות מבודדים, בעוד הצבא האדום החל להיכנס לקרב עם יחידות אגף של הארמיות הגרמניות הרביעית והשישית. דיוויזיית הפאנצר הגרמנית ה-22, למרות ניסיון התקפת נגד קצרה, צומצמה למעט יותר מפלוגת טנקים ונאלצה לסגת לדרום מערב. קורפוס הטנקים הסובייטי ה-26, לאחר שהשמיד חלק גדול מדיוויזיית השריון הרומנית ה-1, המשיך בהתקדמותו לדרום מזרח, תוך הימנעות מעימות עם האויב שנותר מאחור, למרות ששרידי הקורפוס הרומני החמישי הצליחו להתארגן מחדש ולהציב הגנה שנבנתה בחופזה בתקווה שייעזר בקורפוס הפאנצר הגרמני ה-48. מוקפת בארמיית הטנקים החמישית מצד אחד והארמייה ה-21 מצד שני, רוב הארמייה הרומנית השלישית הייתה מבודדת באזור רספופינסקאיה, שם השתלט הגנרל לסקר על שרידי הקורפוסים הרביעי והחמישי, בעוד שדיוויזיית השריון ה-1 השכנה עדיין ניסתה להשתחרר וליצור קשר עם דיוויזיית הפאנצר ה-22. באותו יום קיבל הגנרל הגרמני פרידריך פאולוס, מפקד הארמייה השישית, דיווחים שהסובייטים היו במרחק של פחות מ-40 קילומטרים (25 מיל) ממטהו; יתרה מזאת, לא נותרו יחידות שיכלו להתמודד עם ההתקדמות הסובייטית. בדרום, לאחר עצירה קצרה, המשיך הקורפוס הממוכן הסובייטי ה-4 בהתקדמותו צפונה, והרחיק מגינים גרמנים מכמה עיירות באזור, לעבר סטלינגרד. מכיוון שהכוחות הגרמניים בסטלינגרד וסביבתה היו בסיכון, היטלר הורה לכוחות הגרמנים באזור להקים "עמדת הגנה מסביב" וקבע את הכוחות בין נהרות הדון והוולגה כ"מבצר סטלינגרד", במקום לאפשר לארמייה השישית ניסיון לפרוץ החוצה. הארמייה השישית, יחידות הציר האחרות ורוב היחידות הגרמניות של ארמיית הפאנצר הרביעית נלכדו בתוך הכיתור הסובייטי ההולך וגובר. רק דיוויזיית הפאנצרגרנדיר ה-16 החלה להילחם בדרכה החוצה. חוסר תיאום בין הטנקים הסובייטים וחיל הרגלים כאשר יחידות הטנקים של הצבא האדום ניסו לנצל את פריצת הדרך לאורך האגף הדרומי של הגרמנים אפשרה לחלק גדול מהארמייה הרומנית הרביעית להימלט מהשמדה.
ב-22 בנובמבר החלו הכוחות הסובייטיים לחצות את נהר הדון והמשיכו בהתקדמותם לעבר העיירה קאלאץ'-על-הדון. הכוחות הגרמניים שהגנו על קאלאץ', מורכבים ברובם מאנשי תחזוקה ואספקה, לא היו מודעים למתקפה הסובייטית עד ה-21 בנובמבר, וגם אז לא ידעו באיזו עוצמה הצבא האדום מתקרב. המשימה לעלות על הגשר בקאלאץ' הוטלה על קורפוס הטנקים הסובייטי ה-26, שהשתמש בשני טנקים גרמניים שנתפסו וברכב סיור כדי להתקרב אליו ולירות על השומרים. כוחות סובייטים פרצו לעיירה עד אמצע הבוקר וגירשו את המגינים החוצה, ואפשרו לעצמם ולקורפוס הטנקים הרביעי לחבור לקורפוס הממוכן הרביעי של הצבא האדום המתקרב מדרום. בינתיים, בהמשך היום, קורפוס הטנקים ה-26 התפצל דרומה לאורך פתח נהר ליסקה בהתקדמות קטנה לעבר גשר ליד העיירה ניש צ'ירסקאיה. הסיבה למתקפה הייתה לא רק כדי להרחיק את הכוחות הגרמנים ממסילות הברזל המובילות לסטלינגרד אלא גם לקצץ את התמיכה שניתנה לארמייה הגרמנית השישית שעדיין מוקפת ליד הדון. הכוחות הרוסיים תקפו את העמדות הגרמניות בהפצצה ממשגרי רקטות BM-13 קטיושה ואחריה התקפת טנקים של בעיקר טנקי T-34. התקיפה הביאה לנסיגת הכוחות הגרמניים באזור. כיתור הכוחות הגרמניים בסטלינגרד הושלם ב-22 בנובמבר 1942 באותו יום המשיכו היחידות הסובייטיות להילחם גם בכיסי התנגדות רומנית, כמו זו שגילה הקורפוס הרומני החמישי.
כיתור הארמייה השישית נכנס לתוקף ב-23 בנובמבר. בסביבות השעה 16:00, סמוך לכפר סובצקי, ראו הגזרות הקדמיות של החטיבה הממוכנת ה-36 מהקורפוס הממוכן הרביעי של חזית סטלינגרד את הטנקים המתקרבים של החטיבה ה-45 מקורפוס הטנקים הרביעי של החזית הדרום-מערבית. בהתחלה הם טעו בהם כגרמנים כי הם לא ירו אבוקות ירוקות כפי שסוכם לאות סיור ומספר טנקים ניזוקו בחילופי אש קצרים. לאחר בירור החבירה הושגה. היא שוחזרה מאוחר יותר עבור סרטוני החדשות.
המפגש בין חיילי השריון של הארמיות ה-21 וה-51 מחזיתותיהם של ואטוטין ויריומנקו השלים את הקיפת קבוצת הכוחות של פאולוס: שתי ארמיות גרמניות מהחזקות בכוחות היבשה הגרמניים, 22 דיוויזיות ו-150 רגימנטים או גדודים נפרדים, וכמות עצומה של ציוד. מעולם במלחמה לא נלכדו כל כך הרבה חיילים של הצבא הגרמני ביחד. הישג כזה היה כל כך יוצא דופן שההערכה הראשונית של הסטאבקה עצמה לגבי כוח האויב המוקף הייתה רק רבע מעוצמתו האמיתית, מכיוון שמלבד הכוחות הלוחמים היה מספר עצום של כוח אדם נוסף ממקצועות שונים, יחידות הנדסה, צוותי קרקע של הלופטוואפה, יחידות מטה ואחרים. הלחימה נמשכה ב-23 בנובמבר כשהגרמנים ניסו לשווא לבצע התקפות נגד מקומיות כדי להבקיע את הכיתור. בשלב זה חיילי הציר בתוך הכיתור נעו מזרחה לכיוון סטלינגרד כדי להימנע מטנקים סובייטים, בעוד אלו שהצליחו להימלט מהכיתור נעו מערבה לעבר כוחות הציר הגרמניים ואחרים.