“闪电战”美梦的破灭，使德军无力在苏德战场上发动全面进攻，希特勒被迫采取重点进攻的战略，他把眼光盯上了斯大林格勒。
希特勒的如意算盘是先夺取斯大林格勒，占据这个重要战略要地和战略物资基地，然后由此北进莫斯科，对莫斯科形成夹击之势。
德军在苏德战场的南部部署了150万以上的兵力，其中“南方”集团军群共97个师，90万人，分为A、B两个集团军群。动用了1200辆坦克和强击火炮，1640架战斗机，于1942年6月28日发动了对斯大林格勒总攻。
为减轻斯大林格勒方面的压力，9月3日早晨，经过炮火准备，苏联第一集团发起了反攻，但是只前进了几千米就受到德军的有力阻击而被迫停了下来。
9月5日拂晓以前，如同朱可夫所估计的那样，斯大林格勒附近并没有发生特殊事件。按预先计划，9月5日早晨，苏军炮兵和航空兵开始火力准备，随之发起了攻击。但德军的阻击仍很顽强，经过一天的交战，苏军进展甚微。
由于苏军这次大规模的反击，迫使德军把大坦克、炮兵和摩托化部队从斯大林格勒附近向北调动，从而延缓了攻击斯大林格勒的速度。
德军用在斯大林格勒方向的兵力有50个多个师，其中用来直接攻击市区的有12个师，共17万人，拥有500辆坦克、1700门大炮和迫击炮。
苏军斯大林格勒方面军和东南方面军虽然合起来有120个师，但是人员编制严重缺额，许多师只有编制人数的20%至25%，有的只有800人。实际上负责防守市区和西南一带的主力第六十二和第六十四集团军总共只有90000人、1000门大炮和迫击炮、120辆坦克。在市区争夺战中，德军的兵力和武器上是占优势的。
9月13日至15日的3天，对交战双方来说，都是十分艰难的日子。争夺市区的激战达到白热化的程度，全市的街道和广场变成了激烈的战场，有些重要据点被反复地争夺，第一火车站的争夺战持续了一周之久，曾13次易手。
德军不顾一切，一步步向市中心逼近。苏军似乎有些支持不住了，兵力每时每刻都在减少。但是苏军在斯大林格勒人民群众的支援和配合下，战斗意志无比坚强，只要德军一向前推进，就以顽强的阻击让他们付出沉重的代价。
在这场殊死的战斗中，值得一提的是苏军战士为保卫祖国的每一寸土地，表现出的那种视死如归的英雄主义精神。苏军的顽强使得德军精疲力竭，一筹莫展。
战前，德军十分蔑视苏军在斯大林格勒的力量，但受到意想不到的痛击之后，他们就逐渐感到恐惧和悲观。
经过连续13天的战斗，德军在9月25日占领了市南和市中心的部分地区，并且前进到伏尔加河河南，几乎每一个渡口都被苏军强大的火力控制着，斯大林格勒变成了一个大战场，历史上规模最大的巷战在这里展开了。
朱可夫命令红军战士在任何情况下都要坚守城市，每一幢房屋，只要有苏联军人，哪怕只剩下一个人，也要成为敌人攻不破的堡垒。
为了适应战争形势，朱可夫下令在部队中组织新战斗单位，即突击小组。
尽管炮火连天、弹片横飞，被炸毁的工厂却成了苏联人的抵抗中心。朱可夫在纷乱复杂的战争形势中，再次显示了他惊人的预见性。
他分析后认为：尽管敌人暂时处于进攻之势，但苏联红军的顽强设防使他们很难完成既定目标，而随着时间的拖延，敌人的补给将越来越困难，恶劣寒冷的天气也将给他们造成极大的困难。
德军攻打斯大林格勒市区的战斗从9月13日开始，至11月18日结束，历时两个月。
朱可夫制订了“天王星”反攻计划：苏军从斯大林格勒西北部和南北两线向中心反攻，合围在那里的德军第六集团军和第四集团军。
为了迷惑敌人，朱可夫又实施了一系列漂亮的伪装措施。10月中旬，当德军的进攻陷于停顿之时，斯大林格勒前线各方面军接到命令，停止一切具有攻势的作战行动。这一命令中详细地讲述了如何安排冬季的防御，如何构筑工事，如何在支撑点储备粮食、弹药等。
与此同时，苏军正在秘密地把部队不断调往准备实施突击的方向。德军情报机关上当了，他们坚信苏联军队不会发动反击。朱可夫以其高超的指挥艺术，使红军赢得了艰难的战略主动。1942年11月19日7时30分，隆隆的炮声宣告了西南方面军和顿河方面军进攻德军的战斗正式打响。苏军大反攻的序幕拉开了。在斯大林格勒西北部，苏军西南方面军的3500门大炮直射德军阵地，然后以坦克和机械化部队为先导，突击德军的薄弱阵地。面对苏军强大的攻击压力，德军陆军参谋长建议从斯大林格勒撤军，加强后方，巩固前方，然后进攻发动突击的苏军。但刚愎自用的希特勒听到撤军的建议暴跳如雷，驳回了德军陆军参谋长的建议。德国纳粹元首的顽固，给了朱可夫实施其战略计划的绝好机会。经过十余天的激战，至11月30日，苏军已完成了对德军共22个师33万人的合围，将其压缩在1500平方千米的范围内。面对合围数量如此之大的德军，斯大林十分担心德军发起突围反攻，苏军会支持不住。
朱可夫再次分析了战争态势。他认为以德军目前现状，是不会轻易冒险突围的。但是如果有其他军团的辅助突围，情况就不好说了。当前最紧迫的是防止其他地域德军的支援，主要是防止德军顿河集团军前来解围。
就在苏军分析怎样消灭德军的同时，德军也在积极想办法解围。曼施坦因元帅计划由德顿河集团军群的主要兵力发动进攻，支援第六集团军和第四集团军，另外，秘密派坦克师来支援。
曼施坦因元帅得意地把这一作战计划命名为“冬季风暴”，妄图以此摧毁苏军的包围。可惜他的计划与朱可夫的分析如出一辙，朱可夫已经对此做了精心的准备，设计了整套“包围打援”方案，不仅打退了前来支援的德军，还将包围的德国压缩在更小的范围之内。
德第六集团军对自己的处境非常清楚，一再请求希特勒准许他们突围。但不甘心失败的希特勒却要求他们继续死守。他给部下打气说，只要坚守到明年春天，德军就可以展开新的攻势。
希特勒的刚愎自用为朱可夫实现战役目的创造了极其有利的条件，也为德国第六集团军的彻底灭亡挖掘了坟墓。
1943年1月10日，苏军以5000门大炮轰击包围圈内的德军，随后坦克和步兵发起迅猛的冲锋。
德军由退却变成了无目的的逃跑，沿途丢下成千上万的尸体。不到6天，德军的阵地又缩小了一半。1月24日，德军元帅保卢斯再次电请希特勒允许立即投降，但是他得到的仍然是“不许投降”，要死守阵地，“直至最后一兵、一卒、一枪、一弹”的命令。
至1月25日，德军被击毙、击伤和被俘者已超过了10万人。苏军又把包围圈缩小到南北长20千米、东西宽3500米的地段上。
2月2日，被围德军全部被歼灭，历时200天的斯大林格勒大会战以苏联红军的英勇胜利而告终。斯大林格勒会战是苏德战争的转折点，也是第二次世界大战的转折点。从此，苏军开始进入战略反攻阶段，德军则走向灭亡。
朱可夫因在苏德战争中的卓越功勋，被授予苏沃洛夫一级勋章，勋章后面标有“第一号”的字样。
斯大林格勒会战的胜利吹响了苏军战略进攻的号角。在1942年至1943年之交的秋季战役中，苏军共消灭了德军100多个师，迫使德军在整条战线上后退了600千米。