Mùa hè năm 1942 , tranh thủ thời cơ chưa phải đối phó với mặt trận phía Tây , phát xít Đức mở cuộc tiến công lớn ở cánh phía Nam mặt trận Xô - Đức hòng nhanh chóng đánh chiếm vùng dầu lửa Capcadơ và các dải đất phì nhiêu của sông Đông, Cuban và Hạ Vonga.
Trước tình hình đó , Tổng hành dinh quân đội Xô Viết đã thành lập Phương diện quân Xtalingrat, đảm nhiệm phòng ngự trên mặt trận chính diện với chiều dài toàn tuyến 520 km , nhằm chặn đứng cuộc tiến công của địch ở khu vực Xtalingrad, tạo điều kiện thuận lợi để chuyển sang phản công.
Ngày 17-7, chiến dịch phòng ngự bắt đầu . Quân đội Phát Xít cố gắng tiến công thọc hậu từ hai bên sườn bao vây quân đội Liên Xô ở Calaxơ , rồi từ đó tiếp tục tiến công vào Xtalingrat. Các tập đoàn quân 62 và 64 Hồng quân đã phòng ngự rất ngoan cường và cùng các tập đoàn quân T4 và 4 liên tục phản kích , làm phá sản ý định ban đầu của địch .
Trong tháng 8 , Bộ chỉ huy quân sự Đức đã điều thêm lực lượng đến bổ sung , đưa số quân tham chiến tại mặt trận Xtalingrad lên đến 80 sư đoàn. Ngày 23-8, cùng với tiến công trên mặt đất , địch đã dùng trên 2.000 lần chiếc máy bay ném bom tàn phá thành phố. Quân đội Xô Viết đã đưa vào chiến đấu lực lượng dự bị gồm Tập đoàn quân 24, 66 và sau đó là Tập đoàn quân CV1 cùng Phương diện quân Xtalingrad và Sông Đông liên tục phản đột kích, chặn đứng quân địch ở ngoại ô thành phố . Từ này 12-9 , địch tiến công mạnh mẽ từ các hướng Tây-Tây Bắc và Tây Nam . Các trận chiến đấu quyết liệt đã diễn ra trên từng đường phố , từng căn nhà . Địch tập trung mọi nỗ lực cao nhất để đánh chiếm thành phố nhưng kết quả lại bị tổn thất quá nhiều , kiệt sức , phải dừng lại .
Ngày 18-11 , chiến dịch phòng ngự kết thúc . Hồng quân đã loại khỏi vòng chiến đấu gần 700.000 tên địch, phá huỷ 2.000 pháo, cối, 1.000 xe tăng và 1.400 máy bay, chặn đứng được cuộc tiến công của địch và chuyển sang phản công.
Ngày 19-11 , các Phương diện quân Tây Nam và Sông Đông , ngày 20-11, Phương diện quân Xtalingrad bắt đầu những đòn đột kích vào trận địa phòng ngự địch, và đã đẩy quân địch lùi sâu từ 15 - 20km. Ngay 23-11 , bằng các cánh vu hồi của các quân đoàn thuộc các phương diện quân Tây Nam và Xtalingrat, cụm 22 sư đoàn (330.000 quân) địch đã bị hợp vây. Giai đoạn 1 của chiến dịch phản công hoàn thành , từ đây quyền chủ động chiến lược trên cánh Nam mặt trận Xô - Đức (gồm vùng Capcadơ và Xtalingratd ) chuyển vào tay quân đội Xô Viết.
Trong tháng 12, những nỗ lực mới của địch nhằm giải vây cho cụm quân Xtalingrad đều vô hiệu.
Cuộc công kích tiêu diệt cụm địch bị hợp vây được tiến hành từ 10-1-1943 , sau khi tối hậu thư của Hồng quân bị địch bác bỏ . Phương diện quân Sông Đông đảm đương nhiệm vụ này , và đến cuối tháng 1 đã chia cắt tập đoàn địch làm 2 phần . Ngày 31-1 , cụm phía Nam do Thống chế Paolut trực tiếp chỉ huy đã đầu hàng . Ngày 2-2 , cụm phía Bắc chấm dứt kháng cự . Chiến dịch phản công kết thúc thắng lợi với việc Phương diện quân Sông Đông đã bắt 91.000 địch đầu hàng và tiêu diệt 147.000 tên khác .
