Наступление войск Юго-Западного и правого крыла Донского фронтов началось утром 19 ноября после мощной артподготовки. Войска 5-й танковой и 21-й армий прорвали оборону 3-й румынской армии. Немецкие части, располагавшиеся сзади румынских войск, сильной контратакой пытались остановить советские войска, но были разгромлены введёнными в сражение 1-м и 26-м танковыми корпусами, передовые соединения которых вышли в оперативную глубину, продвигаясь в район Калача. Войска 65-й армии Донского фронта, преодолевая упорное сопротивление противника, отрезали врагу путь отступления на З. из малой излучины Дона. 23 ноября передовые части 26-го танкового корпуса овладели Калачом. 24 ноября войска Юго-Западного фронта, разгромив окруженные группировки румынских войск в районе юго-западнее Распопинская, взяли в плен свыше 30 тыс. чел. и много боевой техники. 20 ноября в наступление перешли войска 51-й, 57-й и 64-й армий Сталинградского фронта. После успешного прорыва обороны врага и разгрома румынских и немецких войск были введены в сражение 4-й механизированный и 13-й танковый корпуса, а также 4-й кавалерийский корпус. Противник перебросил из-под Сталинграда две танковых дивизии и пытался преградить путь советским войскам, но успеха не имел. 23 ноября войска 4-го танкового корпуса Юго-Западного фронта и 4-го механизированного корпуса Сталинградского фронта встретились в районе хутора Советского, замкнув кольцо окружения сталинградской группировки противника в междуречье Дона и Волги. В кольце окружения оказались основные силы 6-й армии и часть сил 4-й танковой немецкой армии — 22 дивизии и 160 отдельных частей общей численностью 330 тыс. чел. К этому же времени войска Юго-Западного и Сталинградского фронтов создали внешний фронт окружения, удаление которого от внутреннего фронта составляло от 40 до 100 км .
24—30 ноября войска Донского и Сталинградского фронтов, ведя ожесточённые бои с окруженными немецко-фашистскими войсками, сократили занимаемую ими площадь вдвое, зажав врага на территории 70—80 км с З. на В. и 30—40 км с С. на Ю. В первой половине декабря действия войск Донского и Сталинградского фронтов по уничтожению окружённого противника развивались медленно, т.к. он уплотнил свои боевые порядки и организовал оборону на рубежах, оборудованных летом 1942 советскими войсками.
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.