Немецко-фашистское командование, оправившись от растерянности, вызванной неожиданным для него крупным успехом советских войск, начало принимать меры к деблокированию окруженной группировки. 24 ноября Гитлер приказал удерживать Сталинград. Немецко-фашистские войска, действовавшие против войск внешнего фронта окружения, были в конце ноября объединены в новую группу армий «Дон» (командующий генерал-фельдмаршал Э. Манштейн), которая была усилена войсками с др. участков советско-германского фронта и частично из Франции и Германии. В её состав вошла и окруженная группировка. В районах Котельниковского и Тормосина создавались две крупные ударные группировки. 12 декабря ударная группировка из района Котельниковского (армейская группа «Гот» в составе части сил 4-й немецкой танковой армии и 4-й румынской армии) перешла в наступление вдоль железной дороги на Сталинград, не дожидаясь сосредоточения др. ударной группировки в районе Тормосина. Используя огромное превосходство в силах, враг оттеснил войска 51-й армии за р. Аксай, где 15 декабря его наступление было остановлено, 19 декабря противник, создав сильную танковую группировку, возобновил наступление, но был остановлен на р. Мышкова войсками 2-й гвардейской (генерал-лейтенант Р. Я. Малиновский) и 51-й армий. До 23 декабря враг не смог прорваться к окруженной группировке, до которой оставалось около 40 км . 16 декабря начали наступление войска Юго-Западного фронта и переданной в его состав 6-й армии Воронежского фронта, нанося удары на Морозовск и Кантемировку с целью разгрома войск противника в районе Среднего Дона и выхода в тыл его тормосинской группировки. В результате трёхдневных ожесточённых боев оборона врага была прорвана на пяти направлениях. Противник был вынужден направить сюда из района Тормосина силы, предназначавшиеся для удара на Сталинград. К 31 декабря войска Юго-Западного и Воронежского фронтов разгромили основные силы 8-й итальянской армии и немецкой оперативной группы «Холлидт» и завершили разгром 3-й румынской армии. В результате упорной обороны советских войск на сталинградском направлении и успешного наступления на Среднем Дону попытка немецко-фашистского командования деблокировать окруженные войска была сорвана. 24 декабря войска Сталинградского фронта перешли в наступление и к 31 декабря полностью разгромили 4-ю румынскую армию и нанесли тяжёлое поражение 4-й немецкой танковой армии. Внешний фронт усилиями Юго-Западного и Сталинградского фронтов был отодвинут на 200—250 км на З. 57-я, 64-я и 62-я армии Сталинградского фронта были переданы в состав Донского фронта, получившего задачу ликвидации окруженных под Сталинградом войск противника. Представителем Ставки на Донской фронт был направлен генерал-полковник артиллерии Н. Н. Воронов. С 1 января 1943 Сталинградский фронт переименован в Южный и получил задачу развивать наступление на ростовском направлении. Положение немецко-фашистских войск, зажатых в кольцо, в начале января 1943 резко ухудшилось: занимаемая ими территория простреливалась советской артиллерией, материальные запасы истощались. Попытки противника организовать снабжение 6-й армии по воздуху были сорваны советской авиацией и войсками ПВО.
8 января 1943 советское командование предъявило командованию 6-й немецкой армии ультиматум о капитуляции, но оно по приказу гитлеровского руководства отклонило его. 10 января советские войска перешли в наступление (операция «Кольцо») с целью уничтожить противника. Развернулись ожесточённые бои. Враг упорно сопротивлялся, но войска Донского фронта продвигались вперёд и к 26 января расчленили окруженную группировку врага на две части: южную — в центре города и северную — в районе тракторного завода и завода «Баррикады». 31 января была ликвидирована южная группа немецко-фашистских войск. Её остатки во главе с командующим 6-й армией Ф. Паулюсом, только что произведённым Гитлером в генерал-фельдмаршалы, сдались в плен. 2 февраля сдались и остатки северной группы. На этом С. б. завершилась. В ходе контрнаступления, кроме двух уничтоженных немецких армий, были разгромлены две румынских и одна итальянская армии. Противник потерял полностью 32 дивизии и 3 бригады; 16 дивизий понесли потери в личном составе от 50 до 75% и утратили боеспособность. Общие потери немецко-фашистских войск с 19 ноября 1942 по 2 февраля 1943 составили свыше 800 тыс. чел., около 2 тыс. танков и штурмовых орудий, свыше 10 тыс. орудий и миномётов, до 3 тыс. боевых и транспортных самолётов и свыше 70 тыс. автомашин. Всего за время С. б., с 17 июля 1942 по 2 февраля 1943, армии фашистского блока потеряли около 25% сил, действовавших на советско-германском фронте. До 1,5 млн. солдат и офицеров противника (с учётом потерь в ВВС) было убито, ранено и взято в плен. Огромные потери сил и средств катастрофически отразились на общей стратегической обстановке и потрясли всю военную машину фашистской Германии. До С. б. история не знала сражения, когда в окружение попала и была бы полностью разгромлена столь крупная группировка войск. Разгром врага на Волге ознаменовал начало коренного перелома в ходе Великой Отечественной войны и 2-й мировой войны в целом, началось изгнание вражеских войск с советской территории.
В результате С. б. Советские Вооруженные Силы захватили стратегическую инициативу и не упускали её до полного разгрома фашистской Германии. С. б. создала благоприятные условия для развёртывания наступления всех фронтов на юго-западном направлении. Разгром румынской и итальянской армий положил начало внутриполитическому кризису в этих странах. Победа в С. б. высоко подняла международный авторитет Советского Союза, оказала огромное влияние на развёртывание Движения Сопротивления в оккупированных странах, вызвала чувство глубокого уважения к советскому народу среди миллионов трудящихся зарубежных стран. Многие правительства, не имевшие дипломатических отношений с СССР, спешили их установить. Турция и Япония отказались выступить против СССР. В ноябре 1943 на конференции руководителей трёх союзных держав в Тегеране премьер-министр Великобритании передал советской делегации почётный меч — дар короля Великобритании Георга VI гражданам Сталинграда в ознаменование победы над фашистскими захватчиками. В мае 1944 президент США от имени американского народа прислал городу Сталинграду грамоту, в которой отмечалось, что славная победа защитников города стала поворотным пунктом войны Союзных Наций против сил агрессии.
Разгром врага под Сталинградом продемонстрировал высокое военное искусство Ставки, Генерального штаба, советских военачальников, мощь советского оружия, моральное превосходство Красной Армии над армией фашистской Германии. Советское оперативное искусство обогатилось опытом окружения и разгрома крупных сил противника, осуществления оперативно-тактической внезапности, правильного выбора направлений главных ударов, точного определения слабых мест в обороне врага, расчёта сил и средств для быстрого прорыва тактической обороны, непрерывного развития наступления на большую глубину. В С. б. проявилась решающая роль советской артиллерии как главной огневой ударной силы. В ознаменование её заслуг ежегодно в СССР отмечается начало контрнаступления под Сталинградом — 19 ноября — как День Ракетных войск и артиллерии. В стремительности действий по завершению окружения врага и его разгрома огромное значение имели танковые, механизированные войска и авиация. Активное участие в С. б. приняла Волжская военная флотилия, которая поддерживала войска своим огнем и в тяжёлых условиях осуществляла перевозки подкреплений, раненых и различных грузов.
В С. б. сотни тысяч советских воинов проявили беспримерный героизм и высокое воинское мастерство. 55 соединений и частей, отличившихся в битве, были награждены орденами, 179 — преобразованы в гвардейские, 26 — получили почётные наименования. Около 100 воинов получили звание Героя Советского Союза. 22 декабря 1942 была учреждена медаль «За оборону Сталинграда» (ею было награждено свыше 707 тыс. участников С. б.), а впоследствии Сталинграду было присвоено почётное звание города-героя.
