蘇軍先後參加這次會戰的有：斯大林格勒方面軍、東南方面軍、西南方面軍、頓河方面軍、沃羅涅日方面軍左翼、伏爾加河區艦隊和斯大林格勒軍級防空地域。
德軍統帥部利用歐洲尚未開闢第二戰場之機，繼續增強東線軍事力量。這就使德軍能於1942年夏季在蘇德戰場南翼展開進攻，以進至高加索各石油區和頓河、庫班河以及伏爾加河下游等物產豐富地區。為進攻斯大林格勒，從「B」集團軍群調來了德軍第6集團軍(司令為保盧斯上將)。截至7月17日前，該集團軍共轄13 個師(約27萬人、火炮和迫擊炮3000門、坦克約500輛)。第4航空隊的航空兵(作戰飛機近1200架)負責進行支援。
蘇軍最高統帥部大本營從其預備隊中把第62、第63、第64集團軍調到了斯大林格勒方向。7月12日，組建了斯大林格勒方面軍(司令為蘇聯元帥鐵木辛哥，7月23日起為戈爾多夫中將)。除上述3個集團軍外，編入該方面軍的還有原西南方面軍第21、第28、第38、第57集團軍和空軍第8集團軍，7月30日起，北高加索方面軍的第51集團軍也編入該方面軍。其中第57集團軍以及38、第28集團軍(後以這兩個集團軍為基礎組建了坦克第1、第4集團軍)擔任預備隊。斯大林格勒方面軍的任務是在520公里寬的地帶內實施防禦，阻止德軍繼續前進。方面軍開始遂行這一任務時總共只有12個師(16萬人、火炮和迫擊炮2200門、坦克約400輛)。空軍第8集團軍有飛機454架。此外，遠程航空兵150－200架轟炸機、防空航空兵第102師60架殲擊機也在這裡參戰。德軍人員比蘇軍多0.7倍，炮兵和坦克多0.3倍，飛機多1倍多。
方面軍的基本力量集中於頓河大彎曲部，第62、第64集團軍在該處佔領防禦，制止德軍強渡頓河並沿最近道路突向斯大林格勒。無論是在防禦戰役準備期間，還是在實施過程中，軍隊都進行了大量黨政工作。國防人民委員部1942年7月28日第 227號命令提出的要求是開展黨政工作的依據。命令所提要求的實質體現在「決不後退一步！」這一口號中。指揮員，政治工作人員和黨團組織採取了一切措施。使每個軍人都領會命令的要求。
斯大林格勒州的勞動者給了軍隊大力支援。在斯大林格勒各接近地構筑了4道防禦匭郭，即外層圍郭、中層圍郭、內層圍郭和市區圍郭。這些圍郭在會戰開始前雖未構筑完畢，但對城市防禦起了不小作用。斯大林格勒城防委員會和州黨委採取了各種措施，以鞏固民兵，加強城市消防，並使全州勞動者做好堅持敵後鬥爭的準備。
防禦戰役是在斯大林格勒的遠接近地開始的。從7月17日起，第62、第64集團軍各前進支隊在奇爾河、齊姆拉河一線對敵軍進行激烈抵抗達6晝夜。這就迫使德軍第6集團軍展開一部分主力，從而贏得了改善基本地區防禦的時間。7月23日，開始爭奪第 62、第64集團軍主要防禦地帶。德軍企圖對頓河大彎曲部的蘇軍兩翼實施包圍突擊將其合圍，併進至卡拉奇地域，從西面突向斯大林格勒。但第62、第64集團軍的頑強防禦和坦克第1、第4集團軍各兵團的反突擊，打破了德軍的企圖。至8月10日前，蘇軍退到頓河左岸，在斯大休格勒外層圍郭佔領防禦，阻止了德軍前進。
早在7月31日，德軍統帥部就被迫將坦克第4集團軍(司令為霍特上將)從高加索方向調到斯大林格勒方向，其先頭部隊於8月2日進逼科捷和尼科夫斯基鎮，形成了從西南突向斯大林格勒的直接威脅。斯大林格勒西南接近地的最初戰鬥開始了。為防守這一方向，8月7日，從新大林格勒方面軍分編出一個新方面軍即東南方面軍(第64、第57、第51集團軍，近衛第1集團軍，空軍第8集團軍，8月30日起增加第62集團軍，司令為葉廖緬科上將)。9月 9－10日，東南方面軍實施了反突擊，迫使德軍坦克第4集團軍暫時轉入防禦。至8月17日前，德軍在此亦被阻止於外層防禦圍郭。
8月19 日，德軍再度發起進攻，力圖從西面和西南面同時實施突擊以攻佔斯大林格勒。8月23日，第6集團軍坦克第14軍在斯大林格勒以北突至伏爾加河。德軍企圖從北面沿伏爾加河實施突擊奪取該市。斯大林格勒軍級防空地域各部隊在抗擊這一突擊中起了重要作用。同日，德軍航空兵出動飛機約2000架次，對斯大林格勒進行了狂轟濫炸。在該市上空的空中戰鬥中，蘇軍飛行員和高射炮手共擊落敵機120架。蘇軍統帥部採取了消滅突至伏棚口河的德軍集團的措施。最高統帥部大本營從其預備隊中調來第24、第66集團軍，會同斯大林格勒方面軍各集團軍從北面對德軍實施了翼側反突擊。這就把德軍第6集團軍一部分兵力引開，使斯大林格勒保衛者的處境得以改善。德軍被阻止於西北市郊。但是德軍統帥部繼續增加兵力，於8月初將義大利第8集團軍在斯大林格勒西北投入交戰，9月底又將羅馬尼亞第 3集團軍投入交戰。而德軍第6集團軍的基本兵力則集中用於直接奪取城市。至9月底前，在進攻斯大林格勒的「B」集團軍群編成內作戰的德軍兵力已達80多個師。德軍的主要力量都轉移到了斯大林格勒方向。德軍統帥部力圖在最短期限內攻佔斯大林格勒。
9月12日，德軍從西面和西南面也逼近了該市，此後城市防禦即由崔可夫中將指揮的第62集團軍和舒米洛夫少將指揮的第64集團軍共同負責。市內展開了激烈巷戰。這一期間，近衛第1集團軍和第24、第 66集團軍於9月在該市以北幾乎連續實施的反突擊，給了斯大林格勒保衛者有力支援。在斯大林格勒以南發動局部進攻戰役的第57、第51集團軍牽制了德軍的重兵。9月28日，斯大林格勒方面軍改稱頓河方面軍(司令為羅科索夫斯基中將)，東南方面軍改稱斯大林格勒方面軍(司令為葉廖緬科上將)。10月15日，德軍在一個狹小地段突至斯大林格勒拖拉機廠地域伏爾加河。11月11日，他們最後一次企圖攻佔該市，並在「街壘」工廠以南衝到了伏爾加河。但這已是德軍最後一次得逞。
1942年11月18日，斯大林格勒會戰的防禦階段終於結束。這一階段，法西斯德軍死傷約70萬人，損失火炮和迫擊炮2000 余門、坦克和強擊火炮1000餘輛、作戰飛機和運輸機1400餘架。希特勒統帥部企圖迅速攻佔斯大林格勒的計畫和整個1942年夏秋戰局計畫均告破產。蘇軍在防禦中表現了不屈不撓的意志和堅忍不拔的精神，表現了高超的軍人技能和集體英雄主義，疲憊和消耗了在斯大林格勒附近作戰的德軍主要集團，從而為轉入反攻創造了有利條件。
蘇軍統帥部在防禦戰役過程中就制定了斯大林格勒反攻計畫。大本營代表朱可夫大將和華西列夫斯基上將對制定反攻計畫起了重要作用。反攻的企圖是：從謝拉菲莫維奇、克列茨卡亞兩地域的頓河登陸場和從斯大林格勒以南的薩爾帕群湖地域分別實施突擊，粉碎敵各突擊集團兩翼的掩護軍隊，並沿卡拉奇、蘇維埃茨基向心方向發展進攻，圍殲直接在斯大林格勒附近作戰的敵軍主力。至11月月中前，反攻準備完畢。
反攻開始前，在斯大林格勒方向展開的是：西南方面軍(近衛第1集團軍，坦克第5集團軍、第21集團軍，空軍第17集團軍，司令為瓦圖京中將)、頓河方面軍(第65、第 24、第66集團軍，空軍第16集團軍；司令為羅科索夫斯基中將)和斯大林格勒方面軍(第62、第64、第57、第51、第28集團軍，空軍第8集團軍，司令為葉廖緬科上將)，總計110.6萬人、火炮和迫擊炮15500門、坦克和自行火炮1463輛、作戰飛機1350架。蘇軍當面之敵是德軍「B」集團軍群(司令為魏克斯元帥)所屬羅馬尼亞第3集團軍，德軍野戰第6集團軍、德軍坦克第4集團軍、羅馬尼亞第4集團軍，共有101.1萬餘人、火炮和迫擊炮 10290門、坦克和強擊火炮675輛，作戰飛機1216架。蘇軍人員比德軍多10％，火炮和迫擊炮多50％，坦克和自行火炮多1.2倍，作戰飛機多 10％。多方面的黨政工作在反攻準備期間和實施過程中對軍隊起了巨大動員作用，此項工作目的在於樹立軍人的勝利信心，激發高昂的進攻銳氣，保證快速突破敵人防禦和發展進攻。
11月19日，西南方面軍和頓河方面軍第65集團軍實施突擊，揭開了反攻的序幕。在步兵和坦克衝擊之前進行了炮火準備。西南方面軍坦克第5集團軍和第21集團軍各兵團在炮火支援下，近11時向縱深前進4－5公里。為完成突破，坦克第1、第26、第4軍，近衛第3軍和騎兵第 8軍先後在這一地區進入交戰。至日終前，西南方面軍已前進25－35公里。第65集團軍因遭德軍猛烈抵抗，僅前進3－5公里。
斯大林格勒方面軍(第57、第51集團軍，第64集團軍左翼各兵團)於11月20日開始進攻，第一日即突破德軍防禦，保障坦克第13軍、機械化第4軍、騎兵第4軍進入了突破口。兩方面軍的坦克軍和機械化軍在戰役縱深內行動，向卡拉奇、蘇維埃茨基方向迅猛對進。同時，在拉斯波平斯卡亞地域對羅馬尼亞重兵集團的合圍亦告完成，而近衛第1集團軍、坦克第5集團軍、第51集團軍的騎兵軍和步兵兵團向西南面和南面發展進攻，對整個德軍斯大林格勒集團構成了合圍的對外正面。隨著天氣好轉，空軍第17、第16、第8集團軍的航空兵以及空軍第2集團軍一部兵力開始對蘇軍進行支援。
11月23日，西南方面軍和斯大林格勒方面軍的快速兵團在卡拉奇、蘇維埃茨基、馬里諾夫卡地域會師(見頓河畔卡拉奇)，合圍了德軍第6集團軍全部和坦克第4集團軍一部共22個師另160多個獨立部隊，總計33萬人。同日，德軍拉斯波平斯卡亞集團投降。步兵兵團到達後構成了綿亙的合圍對內正面。至11月30日前，蘇軍壓縮合圍圈，將敵佔區縮小一半以上，但因兵力不足，未能從行進間分割和殲滅德軍集團。與此同時，沿克里瓦亞河、奇爾河、頓河、科捷利尼科夫斯基鎮(今科捷利尼科沃市)以北一線構成了 500餘公里的合圍對外正面。12月12日，德軍統帥部企圖從科捷利尼科夫斯基鎮地域實施突擊以解救其被圍軍隊。但德軍務坦克師被阻於梅什科瓦河，隨即被擊潰。幾乎在實施科捷利尼科夫斯基戰役的同時，頓河中游的蘇軍為發展反攻，從12月16日起展開進攻。這一進攻迫使德軍統帥部最後放棄瞭解救被圍集團的打算。至12月底前，沃羅涅日方面軍左翼，西南方面軍和斯大林格勒方面軍擊潰了合圍對外正面前的德軍，將其殘部擊退150－200公里。這就為肅清被圍於斯大林格勒的德軍創造了有利條件。蘇軍在12月間進行的空中封鎖，粉碎了德軍藉助航空兵進行補給的企圖，此期間有700餘架敵機被擊毀。至1943年1月初前，德軍集團總兵力減至25萬人，僅餘坦克近300輛、火炮和追擊炮4130門、作戰飛機100架。負責殲滅被圍集團的是頓河方面軍(第66、第24、第 65、第21、第57、第64、第62集團軍，空軍第16集團軍)，該方面軍炮兵比敵人多0.7倍，飛機多2倍，但人員和坦克比德軍少六分之一。
最高統帥部大本營代表沃羅諾夫炮兵上將統一領導殲敵戰役。在德軍拒絕接受促令其投降的建議之後，方面軍遂於1月10日經猛烈炮火準備和航空火力準備後轉入進攻。按照戰役企圖(參見「指環」)，第65集團軍從西面向斯大林格勒方向實施主要突擊。炮兵在衛國戰爭中第一次以徐進彈幕射擊支援步兵和坦克衝擊。至1月 12日日終前，蘇軍已逼近羅索什卡河第二防禦地帶。為突破該地帶，主要力量被轉移到第21集團軍地帶。方面軍各兵團於1月15日重新開始進攻後，1月17 日前到達沃羅波諾沃、大羅索什卡一線，於此再次遭到德軍抵抗。在1月22－25日的頑強戰鬥中，各兵團粉碎了德軍在該線的抵抗。1月26日晚，第21集團軍在馬馬耶夫崗西北坡，與從斯大林格勒迎面進攻的第62集團軍會師。德軍集團被分割成兩部分。1月31日，第6集團軍南集群在保盧斯元帥率領下停止抵抗， 2月2日，北集群投降。從1月10日－2月2日，頓河方面軍共俘敵官兵9.1萬人，德軍在蘇軍進攻過程中被擊斃約14萬人。
點評：蘇軍在斯大林格勒的反攻中，德軍第6集團軍和坦克第4集團軍，羅馬尼亞第3、第4集團軍，義大利第8集團軍被擊潰。德軍被從伏爾加河遠遠向西逐退。斯大林格勒會戰是第二次世界大戰中最大的會戰之一。這次會戰歷時200天之久。德軍在會戰中被打死、打傷、被俘和失蹤的官兵約150萬人，佔其蘇德戰場總兵力的1/4。
斯大林格勒會戰的勝利結局具有重大軍事政治意義。這次會戰，對爭得蘇德戰爭乃至整個第二次世界大戰的根本轉折，作出了決定性貢獻，是戰勝德軍的一個最重要階段。蘇軍展開總攻和把德國侵略者從淪陷的國土上大批驅逐出去的條件業已具備。斯大林格勒會戰的結果，蘇軍從德軍手中奪取了戰略主動權，並一直掌握到戰爭結束。斯大林格勒的勝利進一步提高了蘇聯及其武裝力量的國際威望，是進一步鞏固反希特勒同盟的決定性因素。在斯大林格勒會戰中的失敗，對整個德國是精神和政治上的嚴重震撼，動搖了它的國際政治地位，破壞了僕從國對它的信任。日本被迫暫時放棄了加緊反蘇的計畫。在土耳其統治集團中間，儘管受到德國的壓力，但保持中立的願望益趨強烈。
