莫斯科战役失败以后，德军被迫放弃全面进攻，决定在1942年夏在苏德战场南翼实施重点进攻，企图攻占高加索地区和斯大林格勒，夺取苏联南方重要的粮食和石油产区，切断苏军的战略补给线。苏军最高统帅部识破了德军的企图，誓死保卫斯大林格勒。最初，进攻斯大林格勒的德军是F·保卢斯指挥的第6集团军，共有兵力约27万人，火炮和迫击炮约3 000门，坦克500辆，作战飞机近1 200架，开始时担任保卫任务的苏军只有大约16万人，火炮和迫击炮2 200门，坦克约400辆，飞机454架。后来，随着战役的展开，双方的投入的兵力迅速增加，德军及其仆从国军队先后又有6个集团军投入战斗，苏军后来又有4个方面军以上的部队加入斯大林格勒战场。战斗从7月中旬开始，由于苏军作好了应战准备，如在斯大林格勒远郊构筑了2道防线，在近郊构筑了4道城市防线，使得德军进展缓慢，每前进一步都要付出重大代价，德军的突击军团被大量消耗。9月13日，德军终于攻入市区，并在次日一度攻占市中心，苏联守军的情况十分危急，但仍拼死抵抗。在这紧急时刻，苏军一个精锐师进入斯大林格勒，守军的力量得到加强，迅速夺回市中心区。在城市的巷战中，双方对每一个建筑物，每一条街道都反复争夺，例如对火车站的争夺反复达13次之多。在巷战中，双方的伤亡都很大，但德军始终未能占领整座城市。然而，在此期间，双方的力量对比却发生了很大变化，一方面，德军的力量被大量消耗，得不到补充；另一方面，苏军从其他地方调来大量援军，准备反攻。

11月中旬，苏军以强大的兵力对德军发动了反击，并迅速合围了包括精锐的德军第6集团军全部在内的大约33万德军，此后，苏军又成功地击退了德军的救援部队。希特勒授予保卢斯元帅军衔，企图使保卢斯能拼死突围，创造奇迹，至少也能杀身成仁。然而，1943年2月初，保卢斯和被围德军突围无望，只得向苏军投降。在斯大林格勒战役期间，德军及其仆从国意、罗、匈等国军队约150万人被消灭，有生力量遭到大大削弱。在战斗最激烈的时候，双方参战兵力超过200万人，火炮和迫击炮达2.5万门，坦克2 000余辆，各种飞机2 340架。德军在斯大林格勒失败的原因是多方面的，从军事上来讲，主要有这样几方面：过高估计了自己的军事实力，低估了对手的力量；兵力部署过于分散，无法形成重点进攻；防御的两翼兵力薄弱，给苏军的合围留下了空隙；后勤供应不足，德军官兵在严寒的冬季没有御寒之物，许多人冻死冻伤，武器装备也受到很大影响；等等。斯大林格勒战役标志着苏德战争达到一个转折点，苏军开始从战略防御转入战略进攻，从此夺得战略主动权。