Из-за разногласий с Гитлером начальник Генерального штаба германских сухопутных сил Гальдер вынужден был 24 сентября 1942 года уйти в отставку. Он видел опасность того, что немецкие дивизии узким клином вышли к Сталинграду, тогда как стороны клина прикрывают гораздо более слабые войска союзников. Гальдеру также не нравился большой разрыв между сталинградской и кавказской группировками, прикрытый лишь небольшим количеством войск. Он предлагал прекратить наступление на Кавказе и укрепить высвободившимися силами фронт у Сталинграда. Фюрер, однако, все еще мечтал о марше на Баку, а потом, когда стала очевидна невозможность достижения поставленных целей, пытался удержать все приобретения кампании, рассчитывая перезимовать на завоеванных позициях и весной 43-го вновь устремиться в Закавказье и к низовьям Волги. Считая, что население Сталинграда должно быть беззаветно преданно своему вождю, Гитлер предполагал всех жителей мужского пола уничтожить, а женщин — депортировать. Но этим планам не суждено было сбыться.
Советская Ставка Верховного Главнокомандования еще с сентября начала готовить контрнаступление с целью окружения 6-й немецкой армии в Сталинграде. Сталин рассчитывал на юге разгромить все действующие там армии Германии и союзников, не дать им уйти с Кавказа и из междуречья Дона и Волги, а затем освободить Левобережную Украину. На центральном же участке фронта предполагалось ликвидировать Ржевско-Вяземский плацдарм, а затем нанести удар по направлению к Балтийскому побережью, отрезав находившуюся под Ленинградом группу армий «Север». Координировал действия Донского, Сталинградского и Юго-Западного фронтов начальник Генерального штаба Василевский. Он же вместе с Жуковым был автором плана контрнаступления.
Оно началось 19 ноября, а уже 23-го армия Паулюса и большая часть соединений 4-й танковой армии Гота оказались в «котле». Советские войска атаковали прикрывавшие фланги сталинградской группировки дивизии румынской 3-й армии, которые очень скоро обратились в бегство. Германское командование знало о готовящемся советском наступлении к северу и к югу от Сталинграда, но недооценила его масштаба и мощи. 1 декабря 1942 года начальник штаба 6-й армии генерал Артур Шмидт, загодя предупреждавший о грядущем советском наступлении, признал: «Все мы не разглядели опасности во весь ее рост… и в очередной раз недооценили русских». Сил же для отражения советских атак не было ни у 6-й армии, ни в распоряжении группы армий «Б».
Попытка деблокады, предпринятая в декабре фельдмаршалом Манштей-ном, возглавившим группу армий «Дон» (так теперь называлась группа армий «Б»), провалилась из-за недостатка войск и, главным образом, из-за мощного советского наступления на среднем Дону, в ходе которого были разбиты 8-я итальянская, 4-я румынская и 2-я венгерская армии. Одну из трех танковых дивизий немецкой деблокирующей группировки генерала Гота пришлось бросить для отражения советских угроз на Дону, и это вынудило Манштейна прекратить наступление на выручку Паулюсу. Но советское командование, опасаясь, что Гот соединится с окруженными, бросило против него 2-ю гвардейскую армию генерала Малиновского, ранее предназначавшуюся для стремительного броска на Ростов. В действительности нужды в такой переброске не было, поскольку немецкое наступление к Сталинграду окончательно остановилось еще до прибытия туда войск Малиновского. Гот все еще оставался на расстоянии более 60 км от «котла», тогда как у 6-й армии горючего было лишь на 30 км пути. 31 января — 2 февраля 1943 года армия Паулюса капитулировала. Советские войска взяли более 90 тысяч пленных, а всего окруженная в Сталинграде группировка потеряла до 300 тысяч человек.
В конце декабря Гитлер санкционировал отход с Кавказа. Войска Манштейна смогли удержать Ростов до тех пор, пока через него успела пройти 1-я немецкая танковая армия. 17-я армия в это время отошла на Таманский плацдарм у Новороссийска. Как отмечал в мемуарах бывший начальник оперативного управления Генштаба генерал С. М. Штеменко, успешный отход 1-й немецкой танковой армии стал возможен также благодаря ошибкам командования Закавказского фронта. «Преследование отходящего противника началось недостаточно организованно и с опозданием. Средства связи оказались неподготовленными к управлению наступательными действиями. В итоге уже в первый день преследования части перемешались. Штабы не знали точного положения и состояния своих войск 58-я армия отстала от соседей и оказалась как бы во втором эшелоне. 5-й гвардейский Донской кавкорпус и танки не смогли опередить пехоту. Командование фронта пыталось навести порядок, но без особого успеха».