Ağustos 1942 günü Don Nehri gerisindeki Sovyet savunmasını yarmış, 14. Panzer Kolordusu 23 Ağustos'ta Stalingrad kuzeyinde Volga Nehri kıyılarına ulaşmıştı. Sovyet hatlarında açılan bu koridorla Stalingrad'ı savunan 62. Ordu, bağlı olduğu Stalingrad Cephesi'nin diğer kuvvetlerinden tecrit edilmiş oldu. Bu durum Stalingrad savunması için ağır bir tehdit oluşturuyordu. Stavka ve özellikle Stalin, Stalingrad'ın düşebileceği konusunda çok ciddi endişelere kapılmıştır. Bu konuda alınacak önlemler dizisine bir başlangıç olarak Stalin, o tarihlerde Sovyet Batı Cephesi Komutanı olan General Jukov'u 26 Ağustos tarihinde Baş Komutan Yardımcılığı'na atadı ve bir sonraki gün Stalingrad'a gönderdi. General Jukov'un esas görevi, Volga'ya ulaşan Alman koridorunu ortadan kaldırmak için yapılacak taarruzun eşgüdümü olacaktı. Taarruza 6 Eylül tarihinde başlandı Ancak 11 Eylül'e kadar sürdürülen bu taarruzlardan bir sonuç elde edilemedi. Bunun üzerine Moskova'da Stalin, Jukov ve Vasilevski'nin katıldığı bir toplantıda tüm Stalingrad'ı kurtarma amacıyla yeni bir plan üzerinde çalışma kararı alındı.

Stalingrad’ta direnmeye devam edilecek ve Alman 6. Ordusu buraya bağlanacaktır. Ancak Uranüs Harekâtı, düşmana, hâlen çatışmaların sürmekte olduğu cepheden direkt bir taarruz yerine, kanat açıklarından taarruza başlayarak geniş bir çevirme yapılması şeklinde bir stratejiye dayanmaktadır. Ayrıca Stalingrad'daki Mihver kuvvetlere indirilecek bu darbenin, "güneydeki stratejik durumu" kesin olarak Kızıl Ordu lehine çevirecek çapta olmalıydı. Bu bağlamda Uranüs Harekâtı, bir dolaylı tutum stratejisidir.

Plana göre, Stalingrad’da direnmeye devam edilirken kabaca hesaplamalara göre 45 günlük süre içinde Stalingrad’ın kuzey ve güneyinde yeni ordular oluşturulacak, "Cephe"’ler yeniden düzenlenecektır. Bu "cephe"leri oluşturacak kuvvetler, güçlü topçu, tank, mekanize unsurlarla desteklenecek, ayrıca hava hakimiyeti kurabilecek güçte hava orduları oluşturulacaktır.

Her iki çeneyi oluşturan birlikler de iki koldan harekatı sürdürecekler, iç içe iki çember oluşturacaklardır. Gerçek anlamda çevirme harekatını gerçekleştiren iç tarafta kalan kol olacaktır, dış taraftaki kol, dışarıdan girişilecek bir yarma hareketini önlemek için pozisyon alacaktır. Operasyonun ilk evresinde 6. Ordu'ya yönelik direk bir taarruz planlanmamıştır. Kuzey ve güney çeneler kapandıktan, dış çember sağlamlaştırıldıktan sonra Stalingrad’daki Alman birlikleri üzerine gidilecektir.

Uranüs Harekâtı için de üç Cephe oluşturulmuştur. Bunlar, yeni tertiplenen ordulardan oluşan Güneybatı Cephesi ile hali hazırda var olan fakat yeniden yapılandırılan Stalingrad ve Don Cepheleridir.

Asıl taarruz, çevirme hareketinin kuzey çenesi tarafından, Korgeneral Vatutin komutasındaki Güneybatı Cephesi tarafından yapılacaktır. Güneybatı Cephesi, 25. Ordu, 5. Tank Ordusu ve 1. Muhafız Ordusu’ndan oluşmaktadır. Güneybatı Cephesinin bu çevirme hareketinde 1. Muhafız Ordusu, dış çemberi oluşturacak biçimde ilerleyecektir ve harekatın sağ kanadını örtecektir. Operasyon tamamlandığında yani Stalingrad Cephesi’yle Kalaç'da temas sağlandığında, 5. Tank Ordusu da 1. Muhafız Ordusu’nun oluşturduğu dış çembere yayılacaktır. Harekat bölgesi Don Nehri ile batıdaki kolu olan Çir Nehri arasındaki bölge olacak, kuvvetler tüm bu bölgeye yayılacaktır.

Tüm harekat boyunca Güneybatı Cephesi, iki hava ordusu tarafından desteklenecektir.

Çevirme hareketinin kuzey çenesini oluşturacak olan kuvvetler, Don Nehrinin batı kıyıları boyunca mevzilenmiş 3. Rumen Ordusu mevzilerine taarruz edeceklerdir. STAVKA, bu ordunun, zayıf techizatlandırılmış olduğunu, yeterli tank ve top mevcudunun bulunmadığını, eğitim düzeylerinin de düşük olduğunu bilmektedir. Ayrıca, Doğu Cephesinin genelinde, Alman müttefikleri İtalyan, Rumen askerlerin, ciddi bir direnç göstermeyeceklerini hesaplamaktadır.

Stalingrad Cephesi ise harekatın güney çenesini oluşturacaktır. 51. Ordu, 57. Ordu ve 64. Ordu'dan oluşmaktadır. Kuzey batı yönünde taarruz ederek, bir yandan 4. Panzer Ordusu ile 6. Ordu’nun arasına bir kama gibi girecek, iki ordu grubunun temasını kesecek, esas olarak da çevirme harekatının güney çenesini oluşturacaktır. -4. Panzer Ordusu, kentin güneyinde, hem 6. Ordu’nun hem de Kafkasya’daki Alman birliklerinin kanat güvenliğini sağlayan önemli bir konumdadır- Hızla ilerleyerek Güneybatı Cephesi’yle Kalaç-na-Donu'da temas kuracaktır. 51. Ordu, dış çemberi oluşturacaktır. Stalingrad Cephesi, 8. Hava Ordusu tarafından desteklenecektir.

Don Cephesi, 65. Ordu, 24. Ordu ve 66. Ordu'dan oluşmaktadır, 6. Hava Ordusu tarafından desteklenecektir. Don Cephesi, harekatın esas unsurlarından değildir, yardımcı operasyonları icra görevini üstlenmiştir. Esas görevi, kuşatılması amaçlanan Alman kuvvetlerinin kuzey cepheleri boyunca taarruz ederek onları toparlamak, sabitlemekdir. Böylece, aynı zamanda Güneybatı Cephesinin sol kanadını örtmüş olacaktır.

Yıldırım savaşı tekniklerinin, en etkin biçimde uygulandığı operasyonlardan biridir Uranüs Harekâtı. Süresi uzun tutulmayan fakat elden geldiğince yoğun olmasına çalışılan hazırlık ateşi, hava unsurlarının hedef tahsis ve atış kontrol yönünden topçu bataryalarıyla koordinasyonu ve bu yöndeki operasyonları, kara unsurlarının ileri hareketiyle uyumlaştırılan baraj ateşi, kara birliklerinin ileri hareketleri sırasında her direnç noktasına hava unsurlarınca müdahale edilebilmesi için gereken düzenlemeler, inceden inceye planlanmıştır.

Gerekli malzemenin ve personelin taşınması için 27 bin kamyon kullanılmıştır. Demiryolları günde ortalama 1.300 vagon yük taşımışlardır.

Tüm operasyon hazırlıkları tam bir gizlilik içinde sürdürülmüştür. Birliklerin taarruz hatlarına yanaştırılmaları, sadece geceleri yapılan ilerleyişlerdir ve birlikler farklı köylere yerleştirilmişlerdir. Operasyon hakkında ordu komutanlarının bile son ana kadar bilgisi olmamıştır. Hiçbir yazılı emir düzenlenmemiş, tüm emirler kurmay subayları aracılığıyla sözlü olarak ya da özel telefon hatlarından iletilmiştir.

Başlangıçta harekâtta Jukov, Stalingrad’ın kuzeyindeki Güneybatı ve Don Cephelerinin, Vasilevski ise Stalingrad ve güneyinde konuşlanmış olan Stalingrad Cephesinin organizasyonu ile görevlendirilmişlerdi. Operasyon hazırlıklarının son aşamalarında ise bu karar değiştirilmiştir. Jukov, Moskova – Viyazma hattında düzenlenmesi planlanan operasyonlardan sorumlu olmuş, Uranüs Harekâtı’nın tüm sorumluluğunu ise Vasilevski üstlenmiştir.

Bir kez 17 Kasım'a ertelenen harekât, bir kez daha bu kez 19 Kasım'a ertelendi. Bu erteleme kararı, General Jukov'un, harekâta tahsis edilen hava unsurlarının henüz hazır olmadığı gerekçesine dayanmaktadır. Sovyet taarruzunun sonunda 19 Kasım'da başlatılmasına karar verildi. Teğmen Gerhard Stöck, 19 Kasım sabahı erken saatlerde bir istihbarat raporu almıştır. İstihbarat raporu o sabah saat 05:00'den sonra bir saldırı beklenmesi gerektiğini bildirmektedir. Ancak rapor belirtilen saatten sonra eline ulaştığı için General Paulus'un Kurmay Başkanı General Arthur Schmidt'i bu yanlış alarmla uyandırmak istemedi. Böylece bu istihbarat raporuyla Romen orduları uyarılmamış oldu. Sovyet komutanları, yoğun sis dolayısıyla görüş mesafesinin kötü olması, bu durumun hazırlık bombardımanın etkisini zayıflatacağı nedeniyle taarruzun ertelenmesini önermiş olsa da "Cephe" komutanlıkları başlama kararı aldılar. Yerel saatle 07:20'de (Moskova saati ile 05:20) Sovyet topçu komutanları "siren" şifreli emri aldılar. Emir, Alman kuzey kanadını koruyan mevzilerin boydan boya 80 dk.lık topçu ateşi altına alınması emridir. Yaklaşık 3.500 top, Alman 6. Ordusu sol gerisine, Romen 3. Ordusu cephesine ateş açtı. Yoğun sis, Sovyet topçusu için bir handikap olmakla birlikte haftalardır doğru hedeflerin saptanmasında yapılan hazırlık çalışmaları sayesinde Romen mevzileri üzerine ateşi oturtmalarını sağlanmıştı. Hazırlık topçu ateşinin etkisi yıkıcı oldu. İletişim hatları koptu, mühimmat depoları infilak etti ve ileri posta mevzileri yerle bir edildi. Bombardımandan sağ kalan pek çok Romen askeri geri hatlara çekilmeye başladı. Romen topçu mevzilerini, ikinci kademe birliklerini ve tahkimatını hedef alan Sovyet ağır topçusu, kaçan Romen askerlerini de ateş altına aldı.

Romen 3. Ordusu'na karşı taarruz 21. Ordu, 65. Ordu ve 5. Tank Ordusu tarafından saat 08:50'da başlatıldı. İlk iki taarruz dalgası Romen savunması tarafından püskürtüldü. Sovyet ağır topçusunun bombardımanın etkisi aslında arazide ortaya çıkan çukurlar, Sovyet zırhlılarının ilerlemesinde ciddi olarak zorluklar yaratmıştır. Ancak ağır tanksavar silahlarının olmaması Romen savunmasının çökmesine yol açtı. Sovyet 4. Tank Kolordusu ve 3. Muhafız Süvari Kolordusu öğlen itibarıyla iki bölgede yarma gerçekleştirmişti. Kısa süre sonra 5. Tank Ordusu Romen 2. Kolordusu cephesinde bir gedik oluşturdu ve 8. Süvari Kolordusu peşinde olmak üzere ilerledi. Sovyet zırhlıları yoğun sis içinde pusula yardımıyla, Alman ve Romen topçu mevzilerini ezip ilerlediler. Üç Romen piyade tümeni kargaşa içinde geri çekilirken 3. Romen Ordusu, doğudan ve batıdan kanatlarından çevrildi. Sovyet taarruzu haber alındıktan sonra 6. Ordu Karargâhı, baştan beri Stalingrad'da çarpışan 16. Panzer Tümeni ve 24. Panzer Tümeni'ni Romen savunmasını desteklemek için sevk etmedi. Bunun yerine 48. Panzer Kolordusu görevlendirildi.

Kötü donanımlı Kolordu'nun Sovyet zırhlılarına karşı mücadele edebileceği çalışır durumda 100 gelişkin tankı vardır. Bu durumuyla karşılaşacağı kuvvetlere göre zayıf kalacak bir güçtür. Dahası yakıt sıkıntısı ve tank eksikliği, komutanları tank personelini piyade alayları içinde düzenlemekte zorladı. Kolordu'nun tümenlerinden biri olan 22. Panzer Tümeni, çatışmaların sonunda büyük ölçüde imha olmuştur. 22. Panzer Tümeni, otuzdan az tankla çatışmaya katılmıştı ve geriye bir tank bölüğü kaldı. Kolordu'nun diğer tümeni olan Romen 1. Zırhlı Tümeni, diğer Alman Kolordusu komutanlarıyla teması kaybetmesi ardından Sovyet 26. Tank Kolordusu ile muharebeye girdi ve 20 Kasım'da yenilgiye uğradı