德军在莫斯科会战中遭到失败后，被迫放弃全面进攻，开始在苏德战场南翼实施重点进攻，企图攻占高加索和斯大林格勒，切断苏军的战略补给线。斯大林格勒原名察里津，1918年后改称斯大林格勒。它位于伏尔加河下游，是苏联南部的政治、经济、文化中心，水陆交通的中转站，还是高加索石油的转运站和重要的军事工业基地。如果能够占领这座城市，就可以切断南方对莫斯科的粮食和燃料供应。为此，德军最高统帅部拟定了代号为“蓝色作战”的南方作战计划，改组了原南方集团军群，企图一举拿下斯大林格勒。
1942年7月17日，斯大林格勒战役拉开序幕。德军第六集团军在炮兵、航空兵的支援下，分成南北两个突击集团，从两个方向突向斯大林格勒。7月23日，德军突破了苏军第62集团军的右翼防线，形势告急。斯大林立即任命年轻的第64集团军司令戈尔多夫中将取代年迈的铁木辛哥元帅，指挥斯大林格勒方面军，并派素有“苏联红军智多星”之称的华西列夫斯基上将作为最高统帅部代表，前往斯大林格勒协助指挥战事。
德军在进攻市区前，从高加索等地调来9个师、1个旅的援军参加强攻，每天都有成千架次的飞机轮番轰炸。希特勒歇斯底里地狂叫：“要把斯大林格勒从地图上抹去！”在无比严峻的形势下，斯大林签发了着名的“第227号命令”，要求苏军部队“不许后退一步”。斯大林格勒城防委员会也发布命令，要求“一切能使用武器的人，都起来保卫自己的故乡城市，保卫自己的家园”。几天内，就有7.5万居民投入了战斗，他们发出“为祖国而战”的誓言，与侵略者争夺每一条街道，每一幢房屋。
9月13日，德军在几个地段突破了苏军防线，进入市区，一场最残酷、最激烈的市区争夺战开始了。争夺火车站的战斗尤其激烈，一周之内火车站竟然13次易手。近卫军中士雅科夫·巴甫洛夫率领一个战斗小组，死死守住“一月九日”广场上的一幢大楼。他们顶住了敌机的轰炸，坦克的袭击，步兵的射击，始终把阵地牢牢地掌握在自己手里。最后，其他战士都战死了，巴甫洛夫孤身一人又坚守了几十天。战后这座大楼重建，人们把它命名为巴甫洛夫大楼。
斯大林格勒城中有一个马马耶夫高地，它是全城的制高点，也是斯大林格勒保卫站的中心战场。这个高地在两天中就四次易手，为了把它夺回来，近卫军猛扑高地东北面的陡峭斜坡，冲入战壕与德军展开了白刃搏斗，用上万人的生命为代价，终于把苏军的战旗插了上去。
经过两个多月的激战，德军发起了700多次冲锋，仍然无法控制全城。眼看着寒冷的天气即将来临，希特勒知道德军没有多少越冬物资储备，就让第六集团司令保卢斯再做一次努力。11月11日，德军在斯大林格勒城区内向苏军据守的阵地发动了最后一次大规模进攻，在伤亡数千名官兵的情况下，保卢斯被迫停止了进攻。
11月19日，苏联红军接到了斯大林发出的大反攻的命令。这天拂晓，苏军2000门大炮齐声轰鸣，110余万苏联红军冒着纷飞的大雪，向德军发起猛烈攻击，11月23日傍晚，保卢斯的第六集团军被包围在斯大林格勒城下。在弹尽粮绝的情况下，保卢斯请求希特勒允许他投降，希特勒却发出一份急电，将保卢斯升为陆军元帅，其他军官全都各升一级。保卢斯清楚希特勒的意图，接到电令后他彻底失去了希望，一下子瘫倒在地上。
1943年2月2日，坚持了六个月的斯大林格勒大会战终于结束了。德军在这次战役中一共损失了150万人，坦克和强击火炮3500辆，大炮和迫击炮1.2万门，飞机3000架，德军的精锐部队受到重大消耗。苏联红军还抓了9.1万名德军俘虏，其中包括保卢斯在内的24名高级将领，他们穿着单薄的衣衫，抓紧裹在身上满是血污的毛毯，在零下24摄氏度的严寒中，一步一拐地走向寒冷的西伯利亚战俘营。