按預定計劃，炮火準備應在8時開始，但由於濃霧使能見度不超過200米，而且天空開始飄起雪花，炮火準備不得不推遲。
在此之前，莫斯科曾通過高頻電話詢問方麵軍司令員葉廖緬科：“統帥部很擔心，你們能準時開始嗎？”
葉廖緬科回答說：“一切準備完畢，如果霧能散，進攻將按指定時間準時開始。”可是，現在大霧彌漫，隻好耐心等待。
一個多小時後，濃霧終於慢慢消散。
9時30分，葉廖緬科下達了10時開始實施炮火準備的命令。
10時整，斯大林格勒方麵軍反攻的炮火打響了。
聽著各種火炮發出的轟轟隆隆的巨響，葉廖緬科思緒萬千。後來他在回憶此時的心情時說：“很難用語言表達在進攻開始之前聽見交響樂般的排炮轟擊聲時的感情，但其中最主要的是為祖國的強大和對勝利充滿信心而感到驕傲的感情。昨天，我們還在緊咬雙唇告誡自己：‘決不後退一步！’而今天，祖國在命令我們前進。斯大林格勒人久已向往的事情終於實現了。進攻！這對深知撤退痛苦和在防禦中經過幾個月浴血奮戰的人來說，沒有比這更叫人高興的事了。”
所有火器完成最後十分鍾急襲射擊後，步兵兵團在部隊的協同下，向敵人防禦前沿猛撲了過去。
在第51集團軍突破地段上，坦克和步兵借助炮彈爆炸引起的煙霧和塵土的掩護，一舉突入了德軍前沿陣地。
第57集團軍使用兩個師的兵力，突破了敵軍防線。而後，突入的部隊調轉方向撲向西北，從西南麵包圍德軍斯大林格勒集團。
第64集團軍命令自己的左翼部隊3個師轉入進攻，並在規定地段突破了敵人防禦。
之後，方麵軍立即將快速部隊投入了突破口。機械化第13軍、第4軍和騎兵第4軍分別從西北和西南方向奔向敵人的防禦縱深。
16時，第57集團軍的機械化第13軍分成兩個梯隊進入突破口，並成兩路縱隊向前移動。這時，德軍從B集團軍群預備隊裏調來一個德軍摩托化師進行攔截和阻擊，蘇軍的進攻速度不得不降低下來。日終前，他們隻前進了10至15公裏，大大低於計劃的前進30至40公裏。
13時，第51集團軍的機械化第4軍，以一個梯隊進入了突破口。22時，騎兵第4軍緊跟機械化第4軍之後也進入了突破口。在蘇軍進攻部隊的打擊下，在這一地帶作戰的羅馬尼亞第6軍被擊潰。
進攻開始前，蘇聯西南方麵軍與斯大林格勒方麵軍所屬各部隊相距200公裏以上，進攻開始後，他們沿各自的進軍路線勇猛進擊，頑強推進，以便最快地實現對敵集團的包圍。
11月23日，西南方麵軍所屬第5坦克集團軍第26坦克軍和第21集團軍的第4坦克軍，攻占了頓河東岸重要支撐點卡拉奇，並與前出到蘇維埃茨基的斯大林格勒方麵軍第51集團軍的第4機械化軍會合，從而，完成了對斯大林格勒附近德軍集團主要兵力的合圍。
被圍的德軍部隊為第6集團軍的全部和第4裝甲集團軍的一部，總共22個師，約33萬人。
這樣，三個方麵軍的部隊都完成了他們在進攻戰役中受領的主要任務。他們不僅形成了對德軍集團的戰役包圍，而且擊潰了羅馬尼亞第3集團軍，俘虜5個羅馬尼亞師，重創了羅馬尼亞第4集團軍，並消滅了敵戰役預備隊坦克第48軍。