苏军先后参加这次会战的有：斯大林格勒方面军、东南方面军、西南方面军、顿河方面军、沃罗涅日方面军左翼、伏尔加河区舰队和斯大林格勒军级防空地域。
德军统帅部利用欧洲尚未开辟第二战场之机，继续增强东线军事力量。这就使德军能于1942年夏季在苏德战场南翼展开进攻，以进至高加索各石油区和顿河、库班河以及伏尔加河下游等物产丰富地区。为进攻斯大林格勒，从“B”集团军群调来了德军第6集团军(司令为保卢斯上将)。截至7月17日前，该集团军共辖13 个师(约27万人、火炮和迫击炮3000门、坦克约500辆)。第4航空队的航空兵(作战飞机近1200架)负责进行支援。
苏军最高统帅部大本营从其预备队中把第62、第63、第64集团军调到了斯大林格勒方向。7月12日，组建了斯大林格勒方面军(司令为苏联元帅铁木辛哥，7月23日起为戈尔多夫中将)。除上述3个集团军外，编入该方面军的还有原西南方面军第21、第28、第38、第57集团军和空军第8集团军，7月30日起，北高加索方面军的第51集团军也编入该方面军。其中第57集团军以及38、第28集团军(后以这两个集团军为基础组建了坦克第1、第4集团军)担任预备队。斯大林格勒方面军的任务是在520公里宽的地带内实施防御，阻止德军继续前进。方面军开始遂行这一任务时总共只有12个师(16万人、火炮和迫击炮2200门、坦克约400辆)。空军第8集团军有飞机454架。此外，远程航空兵150－200架轰炸机、防空航空兵第102师60架歼击机也在这里参战。德军人员比苏军多0.7倍，炮兵和坦克多0.3倍，飞机多1倍多。
方面军的基本力量集中于顿河大弯曲部，第62、第64集团军在该处占领防御，制止德军强渡顿河并沿最近道路突向斯大林格勒。无论是在防御战役准备期间，还是在实施过程中，军队都进行了大量党政工作。国防人民委员部1942年7月28日第 227号命令提出的要求是开展党政工作的依据。命令所提要求的实质体现在“决不后退一步！”这一口号中。指挥员，政治工作人员和党团组织采取了一切措施。使每个军人都领会命令的要求。
斯大林格勒州的劳动者给了军队大力支援。在斯大林格勒各接近地构筑了4道防御匦郭，即外层围郭、中层围郭、内层围郭和市区围郭。这些围郭在会战开始前虽未构筑完毕，但对城市防御起了不小作用。斯大林格勒城防委员会和州党委采取了各种措施，以巩固民兵，加强城市消防，并使全州劳动者做好坚持敌后斗争的准备。
防御战役是在斯大林格勒的远接近地开始的。从7月17日起，第62、第64集团军各前进支队在奇尔河、齐姆拉河一线对敌军进行激烈抵抗达6昼夜。这就迫使德军第6集团军展开一部分主力，从而赢得了改善基本地区防御的时间。7月23日，开始争夺第 62、第64集团军主要防御地带。德军企图对顿河大弯曲部的苏军两翼实施包围突击将其合围，并进至卡拉奇地域，从西面突向斯大林格勒。但第62、第64集团军的顽强防御和坦克第1、第4集团军各兵团的反突击，打破了德军的企图。至8月10日前，苏军退到顿河左岸，在斯大休格勒外层围郭占领防御，阻止了德军前进。
早在7月31日，德军统帅部就被迫将坦克第4集团军(司令为霍特上将)从高加索方向调到斯大林格勒方向，其先头部队于8月2日进逼科捷和尼科夫斯基镇，形成了从西南突向斯大林格勒的直接威胁。斯大林格勒西南接近地的最初战斗开始了。为防守这一方向，8月7日，从新大林格勒方面军分编出一个新方面军即东南方面军(第64、第57、第51集团军，近卫第1集团军，空军第8集团军，8月30日起增加第62集团军，司令为叶廖缅科上将)。9月 9－10日，东南方面军实施了反突击，迫使德军坦克第4集团军暂时转入防御。至8月17日前，德军在此亦被阻止于外层防御围郭。
8月19 日，德军再度发起进攻，力图从西面和西南面同时实施突击以攻占斯大林格勒。8月23日，第6集团军坦克第14军在斯大林格勒以北突至伏尔加河。德军企图从北面沿伏尔加河实施突击夺取该市。斯大林格勒军级防空地域各部队在抗击这一突击中起了重要作用。同日，德军航空兵出动飞机约2000架次，对斯大林格勒进行了狂轰滥炸。在该市上空的空中战斗中，苏军飞行员和高射炮手共击落敌机120架。苏军统帅部采取了消灭突至伏棚口河的德军集团的措施。最高统帅部大本营从其预备队中调来第24、第66集团军，会同斯大林格勒方面军各集团军从北面对德军实施了翼侧反突击。这就把德军第6集团军一部分兵力引开，使斯大林格勒保卫者的处境得以改善。德军被阻止于西北市郊。但是德军统帅部继续增加兵力，于8月初将意大利第8集团军在斯大林格勒西北投入交战，9月底又将罗马尼亚第 3集团军投入交战。而德军第6集团军的基本兵力则集中用于直接夺取城市。至9月底前，在进攻斯大林格勒的“B”集团军群编成内作战的德军兵力已达80多个师。德军的主要力量都转移到了斯大林格勒方向。德军统帅部力图在最短期限内攻占斯大林格勒。
9月12日，德军从西面和西南面也逼近了该市，此后城市防御即由崔可夫中将指挥的第62集团军和舒米洛夫少将指挥的第64集团军共同负责。市内展开了激烈巷战。这一期间，近卫第1集团军和第24、第 66集团军于9月在该市以北几乎连续实施的反突击，给了斯大林格勒保卫者有力支援。在斯大林格勒以南发动局部进攻战役的第57、第51集团军牵制了德军的重兵。9月28日，斯大林格勒方面军改称顿河方面军(司令为罗科索夫斯基中将)，东南方面军改称斯大林格勒方面军(司令为叶廖缅科上将)。10月15日，德军在一个狭小地段突至斯大林格勒拖拉机厂地域伏尔加河。11月11日，他们最后一次企图攻占该市，并在“街垒”工厂以南冲到了伏尔加河。但这已是德军最后一次得逞。
1942年11月18日，斯大林格勒会战的防御阶段终于结束。这一阶段，法西斯德军死伤约70万人，损失火炮和迫击炮2000 余门、坦克和强击火炮1000余辆、作战飞机和运输机1400余架。希特勒统帅部企图迅速攻占斯大林格勒的计划和整个1942年夏秋战局计划均告破产。苏军在防御中表现了不屈不挠的意志和坚忍不拔的精神，表现了高超的军人技能和集体英雄主义，疲惫和消耗了在斯大林格勒附近作战的德军主要集团，从而为转入反攻创造了有利条件。
苏军统帅部在防御战役过程中就制定了斯大林格勒反攻计划。大本营代表朱可夫大将和华西列夫斯基上将对制定反攻计划起了重要作用。反攻的企图是：从谢拉菲莫维奇、克列茨卡亚两地域的顿河登陆场和从斯大林格勒以南的萨尔帕群湖地域分别实施突击，粉碎敌各突击集团两翼的掩护军队，并沿卡拉奇、苏维埃茨基向心方向发展进攻，围歼直接在斯大林格勒附近作战的敌军主力。至11月月中前，反攻准备完毕。
反攻开始前，在斯大林格勒方向展开的是：西南方面军(近卫第1集团军，坦克第5集团军、第21集团军，空军第17集团军，司令为瓦图京中将)、顿河方面军(第65、第 24、第66集团军，空军第16集团军；司令为罗科索夫斯基中将)和斯大林格勒方面军(第62、第64、第57、第51、第28集团军，空军第8集团军，司令为叶廖缅科上将)，总计110.6万人、火炮和迫击炮15500门、坦克和自行火炮1463辆、作战飞机1350架。苏军当面之敌是德军“B”集团军群(司令为魏克斯元帅)所属罗马尼亚第3集团军，德军野战第6集团军、德军坦克第4集团军、罗马尼亚第4集团军，共有101.1万余人、火炮和迫击炮 10290门、坦克和强击火炮675辆，作战飞机1216架。苏军人员比德军多10％，火炮和迫击炮多50％，坦克和自行火炮多1.2倍，作战飞机多 10％。多方面的党政工作在反攻准备期间和实施过程中对军队起了巨大动员作用，此项工作目的在于树立军人的胜利信心，激发高昂的进攻锐气，保证快速突破敌人防御和发展进攻。
11月19日，西南方面军和顿河方面军第65集团军实施突击，揭开了反攻的序幕。在步兵和坦克冲击之前进行了炮火准备。西南方面军坦克第5集团军和第21集团军各兵团在炮火支援下，近11时向纵深前进4－5公里。为完成突破，坦克第1、第26、第4军，近卫第3军和骑兵第 8军先后在这一地区进入交战。至日终前，西南方面军已前进25－35公里。第65集团军因遭德军猛烈抵抗，仅前进3－5公里。
斯大林格勒方面军(第57、第51集团军，第64集团军左翼各兵团)于11月20日开始进攻，第一日即突破德军防御，保障坦克第13军、机械化第4军、骑兵第4军进入了突破口。两方面军的坦克军和机械化军在战役纵深内行动，向卡拉奇、苏维埃茨基方向迅猛对进。同时，在拉斯波平斯卡亚地域对罗马尼亚重兵集团的合围亦告完成，而近卫第1集团军、坦克第5集团军、第51集团军的骑兵军和步兵兵团向西南面和南面发展进攻，对整个德军斯大林格勒集团构成了合围的对外正面。随着天气好转，空军第17、第16、第8集团军的航空兵以及空军第2集团军一部兵力开始对苏军进行支援。
11月23日，西南方面军和斯大林格勒方面军的快速兵团在卡拉奇、苏维埃茨基、马里诺夫卡地域会师(见顿河畔卡拉奇)，合围了德军第6集团军全部和坦克第4集团军一部共22个师另160多个独立部队，总计33万人。同日，德军拉斯波平斯卡亚集团投降。步兵兵团到达后构成了绵亘的合围对内正面。至11月30日前，苏军压缩合围圈，将敌占区缩小一半以上，但因兵力不足，未能从行进间分割和歼灭德军集团。与此同时，沿克里瓦亚河、奇尔河、顿河、科捷利尼科夫斯基镇(今科捷利尼科沃市)以北一线构成了 500余公里的合围对外正面。12月12日，德军统帅部企图从科捷利尼科夫斯基镇地域实施突击以解救其被围军队。但德军务坦克师被阻于梅什科瓦河，随即被击溃。几乎在实施科捷利尼科夫斯基战役的同时，顿河中游的苏军为发展反攻，从12月16日起展开进攻。这一进攻迫使德军统帅部最后放弃了解救被围集团的打算。至12月底前，沃罗涅日方面军左翼，西南方面军和斯大林格勒方面军击溃了合围对外正面前的德军，将其残部击退150－200公里。这就为肃清被围于斯大林格勒的德军创造了有利条件。苏军在12月间进行的空中封锁，粉碎了德军借助航空兵进行补给的企图，此期间有700余架敌机被击毁。至1943年1月初前，德军集团总兵力减至25万人，仅余坦克近300辆、火炮和追击炮4130门、作战飞机100架。负责歼灭被围集团的是顿河方面军(第66、第24、第 65、第21、第57、第64、第62集团军，空军第16集团军)，该方面军炮兵比敌人多0.7倍，飞机多2倍，但人员和坦克比德军少六分之一。
最高统帅部大本营代表沃罗诺夫炮兵上将统一领导歼敌战役。在德军拒绝接受促令其投降的建议之后，方面军遂于1月10日经猛烈炮火准备和航空火力准备后转入进攻。按照战役企图(参见“指环”)，第65集团军从西面向斯大林格勒方向实施主要突击。炮兵在卫国战争中第一次以徐进弹幕射击支援步兵和坦克冲击。至1月 12日日终前，苏军已逼近罗索什卡河第二防御地带。为突破该地带，主要力量被转移到第21集团军地带。方面军各兵团于1月15日重新开始进攻后，1月17 日前到达沃罗波诺沃、大罗索什卡一线，于此再次遭到德军抵抗。在1月22－25日的顽强战斗中，各兵团粉碎了德军在该线的抵抗。1月26日晚，第21集团军在马马耶夫岗西北坡，与从斯大林格勒迎面进攻的第62集团军会师。德军集团被分割成两部分。1月31日，第6集团军南集群在保卢斯元帅率领下停止抵抗， 2月2日，北集群投降。从1月10日－2月2日，顿河方面军共俘敌官兵9.1万人，德军在苏军进攻过程中被击毙约14万人。
点评：苏军在斯大林格勒的反攻中，德军第6集团军和坦克第4集团军，罗马尼亚第3、第4集团军，意大利第8集团军被击溃。德军被从伏尔加河远远向西逐退。斯大林格勒会战是第二次世界大战中最大的会战之一。这次会战历时200天之久。德军在会战中被打死、打伤、被俘和失踪的官兵约150万人，占其苏德战场总兵力的1/4。
斯大林格勒会战的胜利结局具有重大军事政治意义。这次会战，对争得苏德战争乃至整个第二次世界大战的根本转折，作出了决定性贡献，是战胜德军的一个最重要阶段。苏军展开总攻和把德国侵略者从沦陷的国土上大批驱逐出去的条件业已具备。斯大林格勒会战的结果，苏军从德军手中夺取了战略主动权，并一直掌握到战争结束。斯大林格勒的胜利进一步提高了苏联及其武装力量的国际威望，是进一步巩固反希特勒同盟的决定性因素。在斯大林格勒会战中的失败，对整个德国是精神和政治上的严重震撼，动摇了它的国际政治地位，破坏了仆从国对它的信任。日本被迫暂时放弃了加紧反苏的计划。在土耳其统治集团中间，尽管受到德国的压力，但保持中立的愿望益趋强烈。
