19 октября 1942 года Красная Армия перешла в контрнаступление под Сталинградом. Войска Юго-Западного и правого крыла Донского фронта (65-я армия) прорвали на нескольких участках оборону 3-румынской армии. К исходу дня войска Юго-Западного фронта и продвинулись на 25–35 км. Соединения 65-й армии с тяжелыми боями продвинулись на 3–5 км, но не смогли полностью прорвать первую полосу обороны противника.
20 ноября перешел в наступление Сталинградский фронт. Его ударные группировки прорвали оборону 4-й немецкой танковой армии, 4-й румынской армии и обеспечили ввод в прорыв подвижных соединений 13-го и 4-го механизированного и 4-го кавалерийского корпуса. Танковые и механизированные корпуса двух фронтов быстрыми темпами продвигались навстречу друг другу. В это же время завершилось окружение в районе Распопинской крупной группировки румынских войск, а кавалерийские корпуса и стрелковые соединения 1-й армии, 5-й танковой армии и 51-й армии, развивая наступление на юг западном и южном направлениях, создавали внешний фронт окружения всей сталинградской группировки немецких войск (там же, с. 683).
23 ноября, на пятые сутки после начала наступления, подвижные соединения Юго-Западного и Сталинградского фронтов замкнул кольцо окружения вокруг 6-й и части сил 4-й танковой немецких армий. 22 дивизии и свыше 160 отдельных частей численностью около 330 тысяч человек оказались окруженными. К исходу 23 ноября капитулировала распопинская группировка противника. Войска 5-й танковой и 21-й армий взяли в плен 27 тысяч солдат и офицеров 5-го и 4-го румынских корпусов.
22 ноября Паулюс в радиограмме Гитлеру просил предоставить ему свободу действий на случай, если не удастся организовать круговую оборону, ставил вопрос об отходе с занимаемых позиций. В ответ из гитлеровской ставки пришел приказ, в котором категорически отвергалась идея выхода из окружения.
С подходом советских стрелковых соединений был создан сплошной внутренний фронт окружения немецкой группировки. 30 ноября советские войска сократили более чем вдвое территорию, занимаемую немецкими войсками, но рассечь и уничтожить их группировку с ходу не смогли. В то же время был образован более чем 500-километровый внешний фронт окружения (там же, с. 683).
Главное командование вермахта предприняло попытку спасти окруженные войска. Эта операция была поручена вновь созданной группе армий «Дон» под командованием генерал-фельдмаршала Э. Манштейна, перед которым была поставлена задача разбить кольцо советского окружения и соединиться с Паулюсом. В составе группы «Дон» было до 30 дивизий. Перед войсками Юго-Западного фронта было 17 дивизий из группы армий «Дон», а 13 дивизий под командованием генерал-полковника Гота (армейская группа «Гот») противостояли войскам 5-й ударной и 51-й армий Сталинградского фронта.
Утром 12 декабря немецкие войска группы «Гот» перешли в наступление из района Котельниковское, прорвали советскую оборону, развивая наступление, форсировали р. Аксай и стали продвигаться к р. Мышкова и достигли ее. До окруженной группировки Паулюса оставалось около 40 км. В районе Верхне-Кумского развернулись ожесточенные и кровопролитные бои. Ценой неимоверных усилий и жертв советские войска выиграли шесть дней, необходимых для подхода резервов. Решающие бои произошли на р. Мышкова, где на ее северном берегу развернулась 2-я гвардейская армия генерала Р. Я. Малиновского. С утра 24 декабря 2-я гвардейская и 51-я армии перешли в наступление и, успешно продвигаясь, 29 декабря очистили от немецких войск город и железнодорожную станцию Котельниковское.
В создание кризисной для группы армий «Дон» ситуации решающее значение имело успешное наступление советских войск в районе Среднего Дона. 16 декабря войска Юго-Западного фронта и часть сил Воронежского фронта начали операцию «Малый Сатурн» с целью развития контрнаступления. Боевые действия развернулись северо-западнее Сталинграда, в районе Среднего Дона. В результате напряженных боев советские войска продвинулись вперед на 150–200 км, разгромили основные силы 8-й итальянской армии, немецкой оперативной группы «Холлидт» и остатки сил 3-й румынской армии, вышли в тыл группы армий «Дон».
К 31 декабря войска Сталинградского фронта, действовавшие на котельниковском направлении, окончательно разгромили 4-ю румынскую армию, а 4-й немецкой танковой армии нанесли тяжелое поражение и отбросили ее на 200–250 км от Сталинграда.