兵败莫斯科之后，1942年7月到1943年2月，德军又发起了斯大林格勒战役。大卢基是苏联北方的一个3万居民的小城，1941年8月被德军占领。它位于洛瓦季河上，背靠重要的铁路枢纽“新索科利尼基”，向东可通往莫斯科，向北能抵达列宁格勒，向南则通往斯大林格勒。虽然城小，但具有重要的战略价值。
已经占领新索科利尼基的德军，通过铁路线就能迅速支援北方和南方集团军群。德军占领大卢基后，仅在此部署了7000多人。大卢基被德军占领后，苏联曾立即组织反攻行动，但被德国第11装甲师击退。此后，德军在大卢基城内囤积物资，并修筑大量混凝土工事，大卢基已成为德军的一个重要军事据点。
1942年11月底，苏军第3突击集团军，集结了九个师的兵力，对大卢基及外围发动进攻。此时勒热夫战役和斯大林格勒战役正陷入胶着，德军中央集团军群也无力增援。11月24日，防守外围的德国第3山地师被击溃后，大卢基城被苏军全面包围。11月25日开始，苏军的攻城战开始了。
苏军由精锐的第21、第9、第46近卫师和爱沙尼亚师担任主攻。但这几支部队的指挥官作战经验不足，重武器也缺乏，本想一鼓作气拿下大卢基城，但没想到守城的德军抵抗非常顽强。德军第83步兵师227步兵团拼死抵抗，让大卢基成为苏德战场又一个“绞肉机”。
前两天的战斗中，苏军士兵夹着炸药包冲锋，工兵爆破工事。当苏军打光子弹后，德军就发起反冲锋，重新夺回阵地。11月28日，大卢基城的铁路和电话线被苏军完全切断，守城的德军只能用无线电联系。227团申请突围，但遭到德军高层的拒绝。据说是因为希特勒下令：“东线部队必须寸土不让！”
11月30日，进攻大卢基的几支苏军部队，被守城的几千名德军打残。其中，苏军的爱沙尼亚师死伤惨重，部队军心动摇，有几百名爱沙尼亚士兵向德军投降。大卢基城内的弹药和药品告急，德军屡次求援，最后，希特勒命令大卢基附近的精锐伞兵部队前去解围，但空军元帅戈林认为，伞兵太宝贵，不能随便牺牲。
德军向大卢基城空投物资补给，但经常遭到苏军高射炮的打击，德国空军80多架飞机被击毁。12月，德军第8装甲师从列宁格勒前来增援，原本他们是要南下去斯大林格勒参与作战，但苏军将铁路截断后，他们只能加入争夺铁路线的战斗。当他们抵达大卢基时，大部分坦克已经被毁，战力大打折扣，难以冲破苏军的包围圈。
德军在大卢基城内的火炮全部被毁，坦克被摧毁后只能当路障。而苏军可以不断增加新的兵力，大批坦克、突击炮、榴弹炮、火箭炮前来增援。苏军用坦克拔出碉堡，步步为营向前推进。德军防线不断收缩，最后只剩下几个堡垒。1943年1月，德军派出党卫军和一个营的伞兵支援大卢基，还有一个营的“勃兰登堡特种部队”加入战斗。此时，大卢基已经被苏军分割成东西两部，各自为战。
1943年1月9日，苏军的“喀秋莎”火箭炮发出怒吼，德军装甲车在一小时内全部被毁，数千人伤亡。到1月14日，前来增援大卢基的德军伤亡已有近1万人。勃兰登堡特种部队乘坐突击炮和缴获的T34坦克突入重围，进入大卢基，德军伞兵营也打通西南的一条通道。但苏军迅速用数倍兵力封堵缺口，只有200名守城的德军，跟着伞兵营成功突围。
1月16日凌晨，德军只剩下两个碉堡。227团指挥官萨斯给上司发电：“城堡有2000名伤兵，我们不能留下他们。”早上8点，萨斯发出最后的电报：“请向我们开炮！”当天，苏军全面解放了大卢基，守军的7000多名德军大部分战死，只有200人突围。战后，美军将此战役视为教科书式的经典攻防战。