Trong khi chiến sự diễn ra phần nào có vẻ có lợi cho quân Đức thì những tin tức về đợt phản công của Liên Xô rạng sáng ngày 19 tháng 11 đi đến. Bộ tổng chỉ huy quân Liên Xô cuối cùng cũng đã phát hiện và chuẩn bị sẵn sàng để khai thác điểm yếu ở cạnh sườn trái của cánh quân Paulus. Để phản công trên mặt trận quanh Stalingrad, họ đã tập trung một lực lượng mạnh mẽ dưới sự chỉ huy của tướng G.K.Zhukov gồm có 3 Phương diện quân (Tây Nam, Sông Don và Stalingrad) với nhiều đơn vị xe tăng, cơ giới, với 13.500 pháo và cối, hơn 1.000 pháo phòng không, 115 tiểu đoàn pháo phản lực, gần 900 xe tăng, 1.115 máy bay[1].

Trong vòng vài tiếng đồng hồ, lực lượng xung kích của Phương diện quân Tây Nam gồm tập đoàn quân 21 và tập đoàn quân xe tăng 5, một phần lực lượng của tập đoàn quân cận vệ 1, với sự hỗ trợ của các đơn vị thiết giáp có hỏa lực vượt trội đã đánh xuyên qua Tập đoàn quân III Rumani dọc sông Đông, tây-bắc Stalingrad. Về phía nam thành phố, các tập đoàn quân 24, 65 và 66 của Phương diện quân Sông Don cũng tấn công mãnh liệt Tập đoàn quân Thiết giáp IV của Đức và Tập đoàn quân IV Rumani. Mục đích của quân Liên Xô rất rõ ràng là để cắt đứt Stalingrad và ép Tập đoàn quân VI của Đức hoặc phải vội vã rút về hướng tây hoặc chịu bao vây.

Ngay nhận thấy tình hình diễn ra, Zeitzler thúc giục Hitler cho phép Tập đoàn quân VI rút ra khỏi Stalingrad để quay về khúc rẽ của sông Don rồi tái lập phòng tuyến ở đây. Tuy nhiên, điều này chỉ Hitler nổi cơn giận dữ và ra một quyết định dẫn đến thảm họa: Tập đoàn quân VI phải trụ lại quanh Stalingrad.

Ngày 22 tháng 11, 2 cánh quân Liên Xô đã hợp vây hoàn tất ở Kalach, cách Stalingrad 60 kilômét về hướng tây trên khúc rẽ của sông Don. Vào buổi tối, tướng Paulus gửi điện về xác nhận đơn vị của ông đã bị bao vây. Hitler lập tức ra lệnh Paulus dời tổng hành dinh vào thành phố và lập cứ điểm phòng vệ. Tập đoàn quân VI sẽ được tiếp tế bằng máy bay cho đến khi được giải cứu.

Nhưng đấy chỉ là động thái vô vọng. Hiện giờ có 20 sư đoàn Đức và 2 sư đoàn Rumani bị cắt đứt tại Stalingrad. Paulus cho biết họ cần tối thiểu 750 tấn hàng hậu cần mỗi ngày. Số lượng này vượt quá khả năng của Không quân vì thiếu máy bay vận tải. Ngay cả nếu có đủ máy bay, họ bị trở ngại vì bão tuyết và phải bay trên vùng trời mà không quân Liên Xô đã chiếm ưu thế. Tuy thế, Tư lệnh Không quân Hermann Göring trấn an Hitler rằng Không quân sẽ thực hiện nhiệm vụ. Có sách ghi Không quân Đức không hề thực hiện nhiệm vụ này, và có tài liệu cho biết Không quân Đức thật sự tiến hành đưa hàng tiếp tế đến, nhưng chỉ thỏa mãn được khoảng 10% nhu cầu của 500 tấn hàng tiếp tế mỗi ngày, vì lý do súng phòng không và chiến đấu cơ Nga ngăn chặn, thời tiết xấu....