1942年7月17日～1943年2月2日，德军与苏联军队在斯大林格勒地区爆发持续长达6个多月的激战，最终苏联赢得了胜利。斯大林格勒战役的胜利，也成为第二次世界大战，欧洲战场上最重要的转折点。此次战役，希特勒重蹈了莫斯科战役的覆辙，德军在夏季发动猛攻，苏联军队在顶住德军的攻势之后，重新集结力量，等到冬季再发动反攻，击败德军。
1942年11月19日，在经过长达4个月的激战和残酷的巷战之后，苏军仍顽强地坚守着斯大林格勒。经过重新调整部署后，苏军集结了一百多万军队和作战物资，准备发动“天王星作战行动”，给德军致命一击。苏军斯大林格勒方面军从正面对德军第六集团军发起猛烈反击，而苏军的西南方面军和顿河方面军，则从德军薄弱的侧翼发起反击，仅用一天时间，就突破了负责德军侧翼的罗马尼亚第3集团军的防线。
1942年11月23日，苏军西南方面军和斯大林格勒方面军在卡拉奇会师，德国第6集团军有5个军22个师22万人，加上罗马尼亚、意大利克、罗地亚军队，约8余万人，被合围在斯大林格勒地区，约1500公里的区域内。现在，除了空中运输之外，德国无法通过陆路给第六集团军提供补给。德军蔡茨勒等高级将领向希特勒建议，此时突围，德军第六集团军有机会逃生。
但希特勒表示，第六集团军撤退，会对正在南方作战的A集团军群造成打击。他认为，只要第六集团军能在斯大林格勒坚守，A集团军群就有机会取胜，德军将能赢得战争的胜利。第六集团军每天需要700吨物资补给，戈林表示，德国空军能为第六集团军提供足够的补给。但是，德国空军的运输能力，每天仅有300吨。由于天气状况不好，实际上，平均每天只能空运一百多吨物资。
希特勒给保卢斯下达了“不许后退一步”的命令，并承诺会尽一切手段解救第六集团军。保卢斯则完全相信希特勒的承诺，决定继续坚守斯大林格勒。希特勒命令曼施坦帮第六集团军解围，曼施坦因提出条件，给他增加四个满编的装甲师，以及至少一个营的虎式坦克。不过，曼施坦因所提的条件，根本没有得到满足。随着气温日益下降，大雾、大雪天气增多，第六集团军得到的补给也在不断下降。
开始，德国士兵每天能得到200克面包，到12月中旬，已降至100克，圣诞节之后，下降至每天50克面包。德军只好杀马充当军粮，用马骨头熬汤。曼斯坦因的解救行动，也未能成功，第六集团军逃生的希望，彻底破灭了。1月9日，德军收到苏联的最后通牒递，苏军承诺：如果德军“体面地投降”，将保证所有德国士兵的生命安全。
保卢斯给希特勒发电报，希特勒回答：“同俄国人打仗决不能投降！”他还向保卢斯许诺，将组织第二次营救行动。但苏军的反攻开始了，1943年1月10日，7000门大炮和迫击炮一起发出怒吼，“喀秋莎”火箭弹呼啸而至，大批苏军战机飞到德军第六集团军的上空投下炸弹。苏联三个方面军共有110.6万兵力，对包围圈内的德军发动反攻。
1月12日，德军在马利诺夫卡突出部失守了，德军第29摩托化步兵师和第376步兵师几乎被全歼。苏军顿河方面军损失2.6万名士兵，和超过一半的坦克。马利诺夫卡突出部的后面，是德军仅存的一个弹药补给基地——卡尔波夫卡谷地，苏军第20集团军和第65集团军，经过一天激战，占领了卡尔波夫卡谷地，德军机场内的大批战略物资，被苏军焚毁。
保卢斯下令罗马尼亚第20师，和德军第297步兵师一部反击，夺回卡尔波夫卡。但罗马尼亚士兵上战场后，或逃跑、或躺在战壕里等死。1月16日，顿河方面军占领了皮特姆尼克机场，第六集团军的“空中运输通道”被彻底断绝。1月19日，德军控制的区域仅剩600平方公里。1月25日，德军被压缩在南北20公里，东西3.5公里的狭小范围之内。保卢斯再次请求希特勒允许他投降，但遭到拒绝。
希特勒晋升保卢斯为德国陆军元帅，他告诉保卢斯：“在德国历史上，从来没有一个元帅被俘”。1月31日凌晨，苏军步兵第7军的第38摩托化步兵旅和工兵第329营包围了斯大林格勒一家百货公司的地下室，这里是德军第六集团军的司令部。德军饿得拿不动枪了，很快就在楼顶插上白旗。保卢斯成为在德国历史上，第一个被俘的德军元帅”。