20 ноября перешли в наступление войска Сталинградского фронта. Из-за тумана и снегопада начало артиллерийской подготовки пришлось отложить на 2 часа, до 10 часов утра. Наступление войск Сталинградского фронта потрясло оборону противника до основания. Если удар с севера командование 6-й полевой армии и группы армий «Б» в какой-то мере предвидело, то удар южнее Сталинграда явился для него полной неожиданностью. В тот же день в прорыв были введены танковый, механизированный и кавалерийский корпуса, которые начали стремительно продвигаться в северном и северо-западном направлениях.
23 ноября в 16 часов 50 минут части 4-го танкового корпуса Юго-Западного фронта под командованием генерал-майора А. Г. Кравченко и 4-го механизированного корпуса Сталинградского фронта под командованием генерал-майора В. Т. Вольского соединились в районе хутора Советский, замкнув кольцо окружения вокруг Сталинградской группировки противника.
Советское Верховное главнокомандование решило без какой-либо паузы провести операцию по уничтожению окруженного противника. С 24 по 30 ноября упорные бои развернулись как на внешнем, так и на внутреннем кольце окружения. По разведданным фронтов, а также по сведениям Генерального штаба считалось, что численность окруженной группировки, которой командовал генерал-полковник Ф. Паулюс, не превышает 85–90 тысяч личного состава, а на самом деле в окружении оказалось примерно 330 тысяч человек. Войска противника, объединенные в 22 дивизии, заняли оборону к западу и юго-западу от Сталинграда общей протяженностью около 170 километров. Поэтому первое наступление войск Донского и Сталинградского фронтов по ликвидации окруженного противника, проведенное в начале декабря 1942 года, не увенчалось успехом. Тем временем немецко-фашистское командование, стремясь деблокировать окруженные войска Ф. Паулюса, сосредоточило в районах Тормосина и Котельниково две ударные группировки, получившие задачу прорваться в Сталинград.
Ставка ВГК, оценив сложившуюся ситуацию, временно отложила операцию по уничтожению окруженной группировки. Перед войсками Сталинградского и Юго-Западного фронтов была поставлена задача ликвидировать попытки противника прорваться к группировке Паулюса и восстановить свои позиции под Сталинградом. В течение 12–23 декабря советским войскам удалось измотать и обескровить соединения немецко-фашисткой армейской группы «Гот» из состава группы армий «Дон» под командованием генерал-фельдмаршала Э. Манштейна, а затем отбросить врага на исходные позиции, освободив Котельниково и Тормосин.
Для ликвидации окруженного противника был разработан план под кодовым наименованием «Кольцо». Претворить этот план в жизнь должны были войска Донского фронта под командованием К. К. Рокоссовского, которому был передан весь внутренний фронт окружения. Советское командование, желая избежать напрасного кровопролития, 8 января 1943 года предложило войскам Паулюса капитулировать, однако наш ультиматум был отклонен.
10 января 1943 года войска Донского фронта, выполняя замысел операции «Кольцо», перешли в наступление. Ломая сопротивление обреченного противника, наши войска с тяжелыми боями продвигались вперед, и 26 января в районе Мамаева кургана встретились соединения 21-й и 62-й армий, расчленив немецко-фашистскую группировку на две части. 31 января капитулировала южная группа войск противника во главе с генерал-фельдмаршалом Ф. Паулюсом. 2 февраля 1943 года была ликвидирована и северная группа, при этом свыше 40 тыс. немецких солдат и офицеров сдалось в плен. 2 февраля 1943 года боевые действия в Сталинграде прекратились. Одно из грандиозных сражений Второй мировой войны завершилось.
Историческое значение Сталинградской битвы исключительно велико. Одержанная в ней победа изменила течение событий не только на советско-германском фронте, но и в целом в ходе Второй мировой войны. За 200 дней и ночей Сталинградской битвы враг потерял убитыми, ранеными и пленными до полутора миллионов человек, около 3500 танков и штурмовых орудий, свыше 3000 самолетов, более 12 000 орудий и минометов, 75 тысяч автомашин и большое количество другой боевой техники и вооружения. Такие потери сил и средств катастрофически отразились на общей стратегической обстановке и до основания потрясли всю военную машину гитлеровской Германии. Враг окончательно потерял стратегическую инициативу. Гибель лучшей части вермахта под Сталинградом в самой Германии вызвала ужас и растерянность. Гитлеровская верхушка была вынуждена объявить в германском государстве трехдневный траур.