Летом 1942 г. немецкое командование приняло решение о проведении широкомасштабного наступления на южном участке советско-германского фронта с целью захвата нефтяных районов Кавказа, сельскохозяйственных районов Дона и Кубани. Эта операция стала неожиданностью для советского командования, считавшего, что противник будет развивать наступление на Московском направлении. В этой ситуации немецкие войска прорвали фронт и к середине июля вышли на Дон на участках Воронеж-Клетская и Суворовская-Ростов. На 6-ю немецкую армию генерала Фридриха Паулюса было возложено развитие наступления на игравший важную стратегическую роль Сталинград, обеспечивая левый фланг ударной группировки.

В этих условиях к Сталинграду были направлены крупные силы из резерва Ставки Верховного главнокомандования, из которых для обороны города был сформирован Сталинградский фронт и начато строительство оборонительных укреплений. 17–22 июля передовые части 62-й и 64-й советских армий вели бои на реке Чир, а затем отошли на основной рубеж обороны. 23–25 июля 6-я немецкая армия перешла в наступление, прорвала оборону 62-й армии и охватила ее правый фланг, контратака 1-й и 4-й советских танковых армий смогла приостановить противника, но исправить положение не удалось. Попытки немецких войск в августе-сентябре 1942 г. разгромить советские войска и взять Сталинград штурмом были сорваны Упорным сопротивлением Красной армии. 13 сентября немцы начали штурм города, борьба на улицах Сталинграда продолжалась до 2 февраля 1943 г., бои шли за каждый дом. Основными объектами обороны стали Мамаев курган и вокзал, а также заводские поселки «Красный Октябрь» и «Баррикады». Стратегическое положение Сталинградской группировки противника было крайне неудачным — в результате наступления ее фланги оказались в глубоком охвате советских войск, однако Гитлер отказался принимать меры к выравниванию линии фронта, продолжая наращивать усилия по штурму города.

В ноябре 1942 г. советское командование утвердило план операции «Уран» — окружения и уничтожения ударной группировки немецких войск под Сталинградом. Создав абсолютный перевес над противником на участках главных ударов, утром 19 ноября 1942 года начали наступление войска Юго-Западного (командующий генерал-полковник Н.Ф. Ватутин) и Донского (командующий генерал-лейтенант К.К. Рокоссовский) фронтов. В первый день наступления советские части прорвали оборону 3-й румынской армии и продвинулись на глубину 20–35 км. Два румынских корпуса были окружены в районе Распопинской и капитулировали 23 ноября. 20 ноября в наступление перешел Сталинградский фронт. 23 ноября части Сталинградского и Юго-Западного фронтов соединились в районе Советского, завершив окружение сталинградской группировки противника (около 330 тысяч человек).

Гитлер запретил 6-й армии предпринимать попытки прорыва и отдал приказ организовать ее снабжение по воздуху. Для деблокирования 6-й армии была сформирована группа армий «Дон», однако ее действия не увенчались успехом и деблокировать группировку Паулюса не удалось. Советские войска предприняли ряд крупномасштабных наступлений, нанеся поражение противнику южнее и западнее Сталинграда. 23 декабря операции немецкой армии по деблокаде Сталинграда были прекращены, а советские войска начали планомерное уничтожение окруженной группировки.

8 января 1943 г. советское командование предъявило Паулюсу ультиматум, но он в соответствии с приказом Гитлера отклонила его. 10 января советские войска начали операцию «Кольцо» и к 26 января разделили окруженную группировку на две части. 31 января южная группа была ликвидирована и в плен сдался Паулюс со своим штабом. 2 февраля прекратила сопротивление северная группа. Всего в ходе Сталинградской битвы в плен попало около 91 тысячи человек (из них после окончания войны в Германию вернулось около 5 тысяч человек). Общие потери немецких и союзных им войск оцениваются в 800 тысяч человек, советские войска потеряли около 980 тысяч человек. Победа под Сталинградом положила начали коренного перелома в войне, Красная армия захватила стратегическую инициативу и удерживала ее уже до конца войны.