希特勒認為，隻要攻占斯大林格勒，就能給蘇聯的戰爭經濟以最嚴重的破壞，同時又能給德國的戰爭經濟開辟新的原料來源，最重要的目標是奪取高加索的油田，以減輕德國過度緊張的燃料補給。如果進展順利，德軍將把英軍趕出埃及並奪取中東的油田。整個作戰計劃結束後，一條巨大的東方長牆將把蘇聯殘存的國土封鎖起來，使蘇聯失去一切可以用來發動戰爭的資源。失去了蘇聯的支持以後，英國和美國將會很快與德國妥協。到那時，希特勒將像一頭餓獸那樣，再慢慢地吞食並消化他的獵物。
希特勒認為一切準備停當後，1942年7月17日，德軍240個師，對斯大林格勒發動鉗形攻勢。被分為兩個突擊團的第6集團軍的先頭部隊，首先在頓河的切爾河和齊姆良河地區對蘇軍的第62和第64集團軍的前沿陣地發起了猛烈進攻。頑強抵抗的蘇軍邊打邊退，到22日，各支隊已退守到主要防禦地帶。7月23日，希特勒下令以5個師的兵力對斯大林格勒展開猛攻，且進展迅速，很快推進到第62集團軍的防禦地帶前。
戰局非常危急。7月28日，斯大林發布第277號令，要求蘇軍堅決抵抗，寸土不讓，直至戰鬥到最後一滴血！
7月30日，重新部署的德軍又分別從斯大林格勒的西南方向和正南方向加強攻勢，造成了兩麵夾擊之勢。蘇軍第57集團軍的防禦戰線長達200公裏，且兵員不足，隻能且戰且退，形勢相當險惡。
8月23日16時開始，德軍一晝夜間出動飛機2000架次，對斯大林格勒進行瘋狂的輪番轟炸，使這座60萬居民的城市頃刻間變成一片廢墟。8月末9月初，德國第6集團軍擊潰了斯大林格勒南北兩線的防禦，直接推進到位於伏爾加河西岸的斯大林格勒城外。
9月3日中午12時，德軍出動大批飛機大炮，開始了全線進攻。在強大的德軍壓力下，不得不向後撤的蘇軍一直退到了斯大林格勒城下的最後陣地。與此同時，德軍的突擊團已從東北和西南直接打入斯大林格勒市區。
斯大林格勒保衛戰開始了！這是一場殘酷而慘烈的戰鬥，幾乎每一處斷壁殘垣都成為雙方以血的代價進行爭奪和反爭奪的據點，德國第6集團軍極其艱難地一英寸一英寸地推進著。經過連續13天的激戰後，德軍終於在9月25日占領了斯大林格勒市南和市中心的部分地區，並推進到伏爾加河河麵，所有渡口都處在了德軍的槍炮火力控製之下。斯大林格勒的每一座建築物幾乎都被破壞殆盡，滿眼望去，千瘡百孔，慘不忍睹！
整個9月，斯大林格勒的戰鬥一直在進行著。10月，希特勒下令從第2集團軍原本已很虛弱的左翼調出部隊，支援對斯大林格勒的最後總攻，以確保拿下。但這時的希特勒法西斯軍隊不僅缺少武器和坦克，而且士氣低落，已成強弩之末。到11月，蘇軍在伏爾加河西岸僅存的幾座橋頭堡，元氣耗盡的德軍都無力去將其攻占。
與此同時，受到重挫的蘇軍慢慢地喘過氣來，開始重新集結，同時恢複被德軍破壞的鐵路、橋梁、車站，還修建了新的交通線，保證了斯大林格勒地區的交通運輸。另外，在軍事力量上蘇德雙方也發生了變化。蘇軍的坦克和火炮已占優勢，雙方的航空兵幾乎擁有同等數量的飛機。此時德軍的燃料已基本上消耗殆盡，且蘇軍的飛機發動機在性能上也較德軍優良。更重要的是蘇軍本土作戰，可以源源不斷地補充兵力。德軍麵對兵力的日益減員卻束手無策。
1942年11月19日7時30分，蘇聯最高統帥部下達了進攻命令，蘇軍在斯大林格勒的大反攻開始了。
22日夜間，蘇軍占領了頓河橋，並分批強渡頓河，先頭部隊迅速控製了左右河岸，迫使德軍向兩翼敗退，後被蘇軍第26坦克軍切斷退路，粉碎了德軍兩路合攏的企圖。四天之後，蘇軍兩支先頭部隊勝利會師，這標誌著第二次世界大戰在蘇聯戰場上的轉折。
斯大林格勒方麵軍於11月20日拂曉從城南發起反攻，突破了德軍的防線後繼續向西北推進。伏爾加河東岸的蘇軍也開始了反攻，正北麵的頓河方麵軍也發動了攻勢。自11月22日起，他們與斯大林格勒方麵軍一起對德軍進行壓縮；至30日，蘇軍已完成了對德軍22個師33萬人的合圍，將其壓縮在1500平方公裏的地域之內。
此時德軍的處境已經十分危困，如果采取快速的突圍戰，或許尚有生機。但心有不甘的希特勒卻堅決要求他的處境絕望之師必須堅決拿下斯大林格勒。
12月12日，德軍增援部隊沿鐵路線北上，不顧一切地向斯大林格勒方向猛衝。12月19日，援軍與蘇軍在卡爾穆克草原展開了激戰，德軍最終敗北。到20日，蘇軍把其他德軍從斯大林格勒趕出200公裏至250公裏以外。德軍的陣地被壓縮得愈來愈小，空中補給幾乎中斷，已處於彈盡糧絕之境，而此時的希特勒還是一個勁地命令他們“死守斯大林格勒”。