精心制订大反攻计划“天王星行动”
11月13日，朱可夫应斯大林电令，第四次来到莫斯科，与斯大林研究战局。苏德双方都不断向斯大林格勒增兵，至11月13日止，德军共投入80个师100万兵力，苏军方面斯大林格勒方面军、顿河方面军、西南方面军共计投入110万兵力。朱可夫这次来莫斯科之前，准备了大反攻的作战计划。朱可夫的策略是将德军继续牵制在城内，然后通过打击德军虚弱的外侧来将德军包围在斯大林格勒市区。朱可夫首先建议接受以往在正面最强部位发起攻击所付出重大代价的教训，反攻应当从敌人薄弱部位开始。所谓敌人薄弱部位，就是希特勒为进攻苏联，所搜罗的罗马尼亚、意大利部队和匈牙利部队。朱可夫还争取增加预备队，为保密切断所有官兵与外界通信联络，最后，朱可夫建议将第四机械化军投入大反攻。
苏军火箭炮兵实施反攻前的炮火准备
这次朱可夫在汇报时，斯大林一次也未打断他的发言，说明他对朱可夫的反攻计划及建议十分满意。斯大林批准反攻计划，并亲自给这个计划取代号为“天王星行动”。
朱可夫的反攻计划是迅速将德军第六集团军和坦克第四集团军，紧紧地钳制在斯大林格勒地域，然后在它的两翼实施两个强大的突击，向卡拉奇总方向进攻，合围并歼灭在斯大林格勒地域的全部德军。
朱可夫回到前线，向各部下达了反攻计划及每天的战斗进程。11月19日，“天王星行动”开始，苏军开始了具有重大历史意义的大反攻。斯大林格勒西北方向传来阵阵炮声，苏军西南方面军、顿河方面军在朱可夫的指挥下，反攻开始了。7时20分开始反攻。德军第六集团军总指挥保卢斯将罗马尼亚部队放在突出部的南北两翼防守，这些罗马尼亚人不仅认为这场战争纯属是德国人的战争，无意为其卖命，而且他们的装备也十分低劣，抵挡不了苏军的进攻。他们的武器差不多全是1940年从战败的法国人手中缴来的。他们的反坦克炮少得可怜，而仅有的一些炮，大部分也是过时的旧货。由于缺乏御寒的冬衣，他们感兴趣的是修筑供自己居住的大型掩蔽体，而不是构筑防御工事和设置反坦克阻障。
当苏军越过阴沉的卡尔穆克草原猛扑过来时，罗马尼亚部队一触即溃。在苏军六个军团的进攻下，斯大林格勒以北、位于克列缅斯卡亚和卡拉奇之间巨大的顿河河曲地区全长约数十公里的德军北翼彻底崩溃。在双方都全神贯注于争夺斯大林格勒的日子里，苏军从伏尔加河到鲍古昌地区一线始终不断地发起攻击和反攻，从而使那里的德军部队由于陷入激战而无法对斯大林格勒的进攻予以增援。可是德国人每次总是能够击退苏军的进攻，这就使他们的指挥官颇为自信，认为他们完全对付得了苏军可能发起的任何进攻。
以往保卢斯总是设法在最后一分钟派出几支装甲部队支援北翼，使它们在苏军排山倒海的攻势中站住脚，成为顽强的火力据点，可是，这次他们无法阻止这股无情的、汹涌向前的洪流。德国人被突如其来的进攻搞得晕头转向，无法立即判明苏军攻势的规模和方向。实际情况是，苏军的一路从顿河中游南下迂回包抄斯大林格勒，另一路从斯大林格勒以南的盐湖地区挥戈北进，形成一个钳形攻势。
11月23日，在朱可夫的指挥下，西南方面军第五坦克集团军、第二十六坦克军、第二十一坦克军、坦克第四军神奇般地穿越德军阵地，击溃德军第二十六军，占领了顿河大桥。德军的北面防线和南面防线被撕开了一个大裂口，苏军浩浩荡荡扫除了德军，接着苏军的多路部队在德军第六集团军的背后会合，然后向城内攻击。(https://www.daowen.com)
朱可夫不断接到喜讯，但他没为现有的胜利而沾沾自喜，继续迈着前进的步伐指挥战斗。他和华西列夫斯基协商，决定将最后扫尾战斗定为“指环”战役，分为两个阶段，第一阶段是向巴萨尔基诺和沃罗波诺沃推进，以粉碎西部和南部的德军集群。第二阶段由两个方面军的所有集团军在斯大林格勒以西和西北发起总攻。“指环”战役的发起时间将通过电话向各司令部宣布，至少第一阶段最迟要在12月23日完成。
苏军和德军双方剑拔弩张，摆开了针尖对麦芒的阵势，谁也不想后退一步。苏军发起反攻，德军坦克第四集团军不顾伤亡，不惜一切代价向苏军的阵地猛冲；苏军官兵无一后退，拼死向前攻击。保卢斯在无计可施之时，调来新锐四个坦克师、五个步兵师。坦克第六师打头阵，企图阻挡如潮的苏军。苏军也不示弱，用新来的精锐近卫第二集团军阻挡德军坦克第六师，德军抵挡无效，向后败退，放弃了科洋尼科沃。苏军奋起直追，德军如潮水般后退，苏军追到马尼奇河，朱可夫的“指环”计划第一阶段顺利地完成了。
“指环”计划的第二阶段的第一天，朱可夫指挥西南方面军和沃罗日方面军，以450辆坦克为先导发起新攻势。两支部队行进180公里，迂回到德军“顿河”集团军群的大后方，又一支苏军从侧面发起攻势，迫使德军“顿河”集团军群后退，德军前线指挥员曼施坦因担心被苏军包了饺子，命令北上德军南退，被围德军停止突围。朱可夫依据德军招架不住的态势，对部队作了简单调整，将斯大林格勒方面军改称为南方方面军，部署在斯大林格勒以南一线，准备攻击罗斯托夫的德军，此时，担负直接歼敌的苏军七个集团军共计有21万人，坦克257辆，各种大炮近7000门，作战飞机300架。苏军不断向前推进，朱可夫接到情报称德军处于粮尽弹绝的恶劣境况，于1943年1月8日向被围德军发出最后通牒，令其停止抵抗缴械投降。但德军仍坚持顽抗到底。1月10日，苏军转入进攻，第六十五集团军从西面向斯大林格勒实施主要突击，炮兵第一次以徐进弹幕射击支援步兵和坦克冲锋。至12日日终前，方面军的主要突击集团前出到罗索什卡河第二防御地带。1月15日，苏军调整部署后继续发起进攻。16日晨，苏军占领皮托姆尼克地域机场，德军只能靠古姆拉克机场空运物资。17日日终前，苏军前出到大罗索什卡、冈恰拉、沃罗波沃地区，德军在预先构筑的阵地上进行顽抗。1月22日，苏军重新准备后全线发起攻击。第二十一集团军切断了古姆拉克以东的铁路线，第六十四和第五十七集团军占领了斯大林格勒的南部，第六十五集团军攻占了亚历山大罗夫卡和哥罗迪舍。古姆拉克机场也被苏军占领。在粮尽援绝、饥寒交迫的情况下，保卢斯向德军统帅部呼叫，请求分散向西南突围，但这个请求被希特勒拒绝。
此时，战场上出现了戏剧性的一幕。1月18日，朱可夫因指挥斯大林格勒战役有功，晋升为苏联元帅。希特勒也下发了将保卢斯将军晋升为元帅的命令。希特勒明知德军已无回天之力，任命保卢斯为元帅，只是为了给他打气。
1月31日，朱可夫下令从各个方面攻击，夺取斯大林格勒市中心区。苏军向市中心区迈进，德军退至市百货公司大楼，苏军追至百货公司大楼前广场，保卢斯在里面也看到了苏军的面孔，这时苏军的一名中尉冒着炮火跑进了大楼，送来了投降书。保卢斯问身边一名军官是签还是不签。这位军官无奈地耸耸肩，双手一摊说，一切都结束了，胜败已成定局，只求保住性命就不错了。保卢斯点点头，要他的参谋长代表他在投降书上签了字。
德军在顿河、伏尔加、斯大林格勒战役中，损失150万人、3500辆坦克、12000门大炮、3000架飞机。在斯大林格勒城内的第六集团军25万人全部被歼（包括投降的官兵）。