План операции разрабатывался Ставкой Верховного Главнокомандования под руководством Иосифа Сталина, Георгия Жукова и Александра Василевского. Он предусматривал мощные фланговые удары трёх фронтов — Юго-Западного, Донского
и Сталинградского — с целью окружения противника.
Кодовое название «Уран», данное в честь древнеримского бога неба, символизировало как стратегический размах замысла, так
и устремлённость Красной Армии к победе.

Ещё на подступах к городу, 17 июля, на рубеже рек Чир и Цимла передовые отряды 62-й и 64-й армий Сталинградского фронта вступили в бой с авангардами 6-й немецкой армии. Взаимодействуя с авиацией 8-й воздушной армии, они оказали упорное сопротивление. Противнику пришлось задействовать для их сдерживания пять дивизий из тринадцати и потратить пять суток, чтобы оттеснить их к главной полосе обороны.

Это сопротивление вынудило немецкое командование значительно усилить 6-ю армию. К 22 июля в её составе было уже 18 дивизий общей численностью около 250 тысяч человек,
740 танков, 7500 орудий и миномётов, которых поддерживало до
1200 самолётов. Соотношение сил, таким образом, ещё более сместилось в пользу противника, который, например, достиг двукратного превосходства в танках. Войскам Сталинградского фронта, имевшим на тот момент 16 дивизий (187 тыс. человек,
360 танков, 7900 орудий и миномётов, около 340 самолётов), предстояла тяжелейшая оборонительная борьба.

На рассвете 23 июля в наступление перешла северная, а 25 июля — южная ударная группировка противника. Используя превосходство в силах и господство в воздухе, немецкие войска прорвали оборону на правом фланге 62-й армии и к исходу
24 июля вышли к Дону в районе станицы Голубинской, где вскоре расположился штаб 6-й немецкой армии. В результате три советские дивизии попали в окружение. Противнику также удалось потеснить правый фланг 64-й армии, создав для Сталинградского фронта критическую ситуацию. Фланги
62-й армии оказались глубоко охвачены, а выход немцев к Дону создал реальную угрозу прорыва к Сталинграду.

К концу июля части Красной Армии были оттеснены за Дон, где заняли оборону по его левому берегу на сотни километров.
6-я армия вермахта оказалась в нескольких десятках километров от Сталинграда, а 4-я танковая армия, находившаяся южнее, повернула на север для помощи в штурме города. В это время группа армий «А», наступавшая на Кавказ, замедлила продвижение и из-за большой удаленности не могла эффективно поддерживать группу армий «Б» на сталинградском направлении.

Упорное сопротивление советских войск заставило немецкое командование 31 июля повернуть с Кавказского направления на Сталинград 4-ю танковую армию. Уже 2 августа её передовые части подошли к Котельниково, создав прямую угрозу прорыва к городу с юго-запада. Для укрепления обороны по решению командования фронта на этом направлении была развернута
57-я армия.
Особенно тяжелая обстановка сложилась в полосе 62-й армии, где противник не только оттеснил её части за Дон, но и окружил четыре дивизии западнее Калача. Эти соединения продолжали сражаться в окружении до 14 августа, после чего мелкими группами прорывались к своим. Подошедшие из резерва Ставки три дивизии 1-й гвардейской армии нанесли контрудар, который остановил дальнейшее продвижение врага.

В период с 14 августа по 1 сентября 1942 года 20-я мотострелковая бригада совместно с другими частями стойко обороняла город Калач-на-Дону, оказавшись с 22 августа в полном окружении. Они оставили город лишь по приказу командования в ночь на
1 сентября, после чего прорвались к основным силам 62-й армии. Благодаря этому упорному сопротивлению в большой излучине Дона и активной обороне на юго-западных подступах к Сталинграду, немецкий план по стремительному захвату города с ходу был сорван. За три недели наступления противнику удалось продвинуться лишь на 60–80 км, что вынудило нацистское командование существенно скорректировать свои планы.

Немецким войскам удалось форсировать Дон и создать плацдарм шириной 45 км на его восточном берегу в районе Песковатки.
23 августа противник совершил стремительный бросок, преодолев за день более 50 км и выйдя к Волге на северной окраине Сталинграда. Радиосообщения подтверждали, что немецкие части заняли Спартановку — северный пригород города. В результате этих действий 62-я армия оказалась отрезанной от остальных сил Сталинградского фронта.

В результате варварской бомбардировки, в которой участвовало до 400 самолетов, включая 150-160 двухмоторных бомбардировщиков, были убиты более 90 тысяч человек, уничтожено более половины жилого фонда, а город превратился в море огня и руин.

К этому моменту из примерно 400 тысяч жителей Сталинграда было эвакуировано лишь около 100 тысяч. Только 24 августа Городской комитет обороны принял постановление об эвакуации женщин, детей и раненых на левый берег Волги. До этого гражданское население, включая женщин и подростков, было вынуждено работать на строительстве оборонительных сооружений и траншей.

В 16 часов того же дня, 23 августа, ударная группировка
6-й немецкой армии прорвалась к Волге в районе северной окраины Сталинграда у поселков Латошинка, Акатовка и Рынок, отрезав 62-ю армию от основных сил фронта. Начались ожесточенные уличные бои за город и прилегающие территории.

Несмотря на то, что первоначальный план «Урана» не был выполнен в полной мере — не удалось рассечь 6-ю армию надвое ударом 24-й армии в междуречье Волги и Дона, — главная стратегическая цель была достигнута. Попытки быстро ликвидировать окружённую группировку также не увенчались успехом, во многом из-за высокого тактического мастерства немецких войск, компенсировавшего численное превосходство советских сил. Однако критически важным итогом стало полное блокирование армии противника, запасы топлива, боеприпасов и продовольствия в которой стали стремительно иссякать.

К 23 ноября войска двух фронтов соединились у Калача-на-Дону, окружив группировку численностью свыше 330 тысяч солдат и офицеров. Этот населённый пункт стал ключевой точкой операции благодаря стратегически важному мосту через Дон, который активно использовался немецкими войсками для снабжения и переброски сил.

Первый вариант плана операции «Кольцо» был разработан уже
27 декабря. Однако 28 декабря 1942 года Ставка Верховного Главнокомандования в своей директиве № 170718, подписанной
И. В. Сталиным и Г. К. Жуковым, потребовала его доработки.

Основное изменение заключалось в том, что план должен был предусматривать не общий штурм, а предварительное расчленение окружённой 6-й армии на две изолированные группировки с последующим их уничтожением по частям. План был соответствующим образом скорректирован. 9 января немцам был предъявлен ультиматум, который был отклонён Паулюсом.

10 января 1943 года советские войска приступили к выполнению заключительной операции «Кольцо». Главный удар наносился в полосе наступления 65-й армии под командованием генерала
П. И. Батова. Несмотря на тщательную подготовку, ожесточенное сопротивление окруженной немецкой группировки оказалось настолько сильным, что наступление было временно приостановлено. После перегруппировки и нанесения мощного артиллерийского и авиационного удара атаки возобновились. Немецкие части, опираясь на укрепленные позиции, упорно оборонялись, неоднократно переходя в контратаки при поддержке танков и артиллерии. Однако сдержать натиск советских войск им не удалось, и они начали организованный отход к руинам Сталинграда.

25 января части 21-й армии, наступавшей с запада, ворвались на окраины города. На следующий день, 26 января, они соединились в районе Мамаева кургана с бойцами легендарной 62-й армии, героически оборонявшей Сталинград на протяжении многих месяцев. Это историческое соединение рассекло остатки армии Паулюса на две изолированные группировки — северную и южную, лишив их возможности координировать действия и завершив оперативное единство немецких сил в Сталинграде.

31 января 1943 года капитулировала южная группировка окружённых немецких войск во главе с командующим 6-й армией генерал-фельдмаршалом Ф. Паулюсом. 2 февраля сложила оружие и северная группировка. На этом операция «Кольцо» была успешно завершена.

В ходе заключительного этапа ликвидации окружённой группировки с 10 января по 2 февраля 1943 года войска Донского фронта нанесли сокрушительное поражение противнику. Было разгромлено 22 дивизии и 149 частей усиления и обслуживания. Всего в плен были взяты свыше 91 тысячи солдат и офицеров вермахта, в том числе 2500 офицеров и 24 генерала.

Советскими войсками были захвачены огромные трофеи. Согласно донесению штаба Донского фронта, к ним относились: 5762 орудия, 1312 миномётов, 12 701 пулемёт, 156 987 винтовок,
10 722 автомата, 744 самолёта, 166 танков, 261 бронемашина, 80 438 автомобилей, 10 679 мотоциклов, 240 тракторов, 571 тягач,
3 бронепоезда и другое военное имущество.

Капитулировали 22 дивизии, в том числе:

• Танковые: 14-я, 16-я и 24-я;
• Моторизованные: 3-я, 29-я и 60-я;
• Пехотные: 44-я, 71-я, 76-я, 79-я, 94-я, 100-я лёгкая пехотная (егерская), 113-я, 295-я, 297-я, 305-я, 371-я, 376-я, 384-я, 389-я;
• Союзные: румынские 1-я кавалерийская и 20-я пехотная дивизии.

Также сдались отдельные части, включая 369-й хорватский пехотный полк, полк ПВО, батальоны штурмовых орудий и полки реактивных миномётов..