兩翼仆從國的部隊包括：掩護德軍南翼的羅馬尼亞第4集團軍，掩護德軍北翼的羅馬尼亞第3集團軍、意大利第8集團軍和匈牙利第2集團軍。這些仆從國軍隊裝備較差。
因此，總的來說蘇軍在兵力、大炮和坦克的數量方麵都占有優勢。比如，在重武器上，蘇軍占有絕對優勢，蘇軍與德軍的大炮比為1.5：l，坦克為2.2：l。對德軍來說，最可怕的是，蘇軍裝備著嶄新的T-34坦克和1250輛“喀秋莎”火箭炮。
龐大的蘇軍部隊在毫無遮掩的大草原上調動、集結和隱蔽，為了不讓德軍發現，蘇軍付出了極大的努力，特別是秋季道路泥濘，運輸車的行駛十分艱難。
頓河和伏爾加河河水暴漲，渡過伏爾加河需要4個小時，而以前隻需要40分鍾。蘇軍在薩拉托夫與阿斯特拉罕之間建立了50多個渡場。為保密起見，每個渡場隻使用幾條渡船。蘇軍的6個空軍集團軍想盡辦法阻止德國空軍實施偵察。
所有的集結行動都在夜晚偷偷進行，所有的部隊都保持無線電靜默。在大反攻發動前，所有部隊的無線電通信網仍留在原駐地，結果德軍的無線電偵聽部隊對蘇軍的軍事調動竟毫不知情。
另外，蘇軍還使用東南鐵路與梁讚至烏拉爾的鐵路秘密集結部隊。這些鐵路的運輸量長期保持最大限度，到蘇軍集結的最後階段，采用了單向行駛的方法。在各條鐵路線上，每隔12分鍾，放行一列單向運輸火車。
1942年11月3日，在第5坦克集團軍司令部，朱可夫、瓦杜丁、沃羅諾夫、諾維科夫、戈洛萬諾夫、費多連科召見了該方麵軍師以上各級軍官，大家對軍事計劃進行了討論。
11月4日，他們召見了頓河方麵軍師以上各級軍官。11月10日，在第57集團軍的司令部，他們又召見了斯大林格勒方麵軍師以上各級軍官。
11月11日，斯大林對空軍能否支援大反攻作戰十分關注。他認為這件事很重要，他建議若空軍沒有把握完成任務，就推遲發動大反攻的時間。
11月12日，斯大林指示朱可夫：“如果戰役的航空兵準備不盡人意，那麼，戰役將以失敗而告終。與德軍作戰的經驗表明，必須奪取製空權，才能獲得戰役勝利。”
斯大林指出，空軍應該完成3個任務：
第一，空軍集中在進攻部隊進攻的地域內行動，壓製德軍空軍並掩護蘇軍部隊。
第二，不斷轟炸德軍防禦部隊，為蘇軍進攻部隊開辟前進的通道。
第三，以不斷轟炸和掃射的方式追擊撤退的德軍，徹底打亂德軍並使其無法在最近的防禦陣地鞏固下來。
11月17日，朱可夫離開了斯大林格勒，赴加裏寧方麵軍與西方麵軍，指揮它們進攻德軍中央集團軍群，以牽製中央集團軍群向斯大林格勒派遣援兵。華西列夫斯基繼續在斯大林格勒，負責協調南方的大反攻。
這一天，華西列夫斯基向斯大林作了每天的例行彙報，斯大林讓他必須趕回莫斯科出席11月18日舉行的國防會議。對此，華西列夫斯基感到很驚訝。原來第4機械化軍軍長沃爾斯基寫信給斯大林，反映進攻的準備工作尚未做好，進攻肯定會失敗。
斯大林與國防委員會希望得到華西列夫斯基的切實保證，華西列夫斯基說不應該僅憑一封信就推遲進攻的時間。斯大林立即打電話給沃爾斯基，安慰了他幾句。不久，斯大林立即向華西列夫斯基下達了一項命令，命令他密切關注第4機械化軍的動向，並隨時向他本人彙報。
11月18日，希特勒仍在做著征服蘇聯的美夢，他催促第6集團軍和第4坦克集團軍繼續進攻。然而，蘇軍對德軍最致命的打擊就要開始了。
11月19日上午7時30分，隆隆的炮聲揭開了西南方麵軍、頓河方麵軍和斯大林格勒方麵軍反攻的序幕。蘇軍以坦克部隊為先導，向德國及其仆從國軍隊發動了強大的反攻。
蘇軍新裝備的1250輛“喀秋莎”火箭炮，一次就可發射1萬發重型火箭彈。火箭彈的威力巨大，可摧毀德軍的工事。德軍官兵對此驚恐不已，鬥誌大減。
在上午9點前，炮火轉向德軍防禦縱深，蘇軍步兵在支援的坦克和炮兵的協同下，開始了進攻。