在10月28日，明军最高统帅部统帅朱厚照和总参谋长苏定方大将拟制了反攻计划。
在11月份整个一个月中，察里津一直进行着激烈的巷战。德军逐屋战斗，从地面和地下的废墟中找路前进，所以也被称为“老鼠战争”。德军士兵甚至开玩笑说“即使我们占领了厨房，仍然需要在客厅进行战斗。”
对朱厚照来说，是决不能让这座决定战争走向的城市落入德军之手的。他亲自下令给萧远山大将，要求在任何情况下都要坚守该城。每一座房屋，只要有大明军人，哪怕只有一个人，也要成为敌人攻不破的堡垒。而对阿道夫来说，察里津的精神价值已超过了其战略价值，阿道夫是非要攻陷它不可。
当新任陆军总参谋长蔡茨勒将军小心地向阿道夫指出，第6集团军北翼漫长的顿河战线面临着危险，建议将第6集团军撤到顿河河曲时，阿道夫严厉地回答说：“德国士兵到了哪里，就要守到哪里！”
经过3个月血腥的战斗，当年12月初，德军终于缓慢地推进到了伏尔加河岸，并且占领了整座城市的80%地区，将留守的大明军队分割成两个狭长的口袋状，但是德军始终未能完全占领斯大林格勒。此外，伏尔加河开始结冰，导致明军不能再通过船运送补给品给城中守军。尽管如此，马马耶夫高地附近的战斗和北部城区的工厂地带的战斗依然非常激烈。其中，炼钢厂、拖拉机厂和街垒工厂的战斗为全世界所知晓。当明军士兵与德军进行枪战的同时，工厂内的工人就在侧旁修复损坏的坦克和其它武器，有的时候甚至就直接在战场上修理武器。这些坦克往往直接从工厂的生产线上开到了战斗前线，甚至来不及擦去硝烟血迹。
12月11日，德军以5个步兵师、2个装甲师和2个工兵营在宽5公里的正面上发起强攻。德军战斗队形高度密集，这给了明军炮火和轰炸机编队一个绝好的歼敌机会。在一天之内，明德两军为争夺每寸土地、每一座房屋，都进行了异常激烈的战斗，德军伤亡惨重。德军虽然在街垒工厂以南冲到达了伏尔加河岸，但部队已疲惫不堪，其攻势已成强弩之末，保卢斯被迫于次日停止了进攻，修整部队。明军的损失比之前大一些但仍处在可接受的范围之内。
战后根据明军方面统计，从当年8月到12月的战斗中，德军在顿河、伏尔加河和察里津的战斗中损失约70万人，1000余辆坦克，2000多门火炮，1400余架飞机。可以说德军已经打不动攻不动了，明军大举反击的时机到来了。
最高统帅部自10月底开始准备大反攻，并持续向察里津地区秘密的大规模集结兵力。至12月中旬，明军在察里津地域城外的南北两侧的部队计有10个诸兵种合成集团军，1个坦克集团军，4个空军集团军和若干个独立军、坦克军和旅。共计143个师110.6万人，计15500门火炮和迫击炮，1463辆坦克和强击火炮，1350架飞机。当面的德军b集团军群共有80个师又3个旅，约100万人，10290门火炮，675辆坦克，1216架飞机。
苏定方的策略是将德军继续牵制在城内，然后通过打击德军虚弱的外侧来将德军包围在察里津市区。12月13日，朱厚照批准了苏定方拟制的反攻计划，并亲自给这个计划取代号为“天王星行动”，这与针对德军中央军群的“火星行动”相呼应。该计划规定：西南方向明军由赵镇中将指挥，其任务是从顿河西岸的谢拉莫菲维奇和克利茨卡亚地域桥头阵地实施主攻，突破罗马利亚第3集团军防御，直插顿河东岸的卡拉奇；察里津集团军群由萧远山大将指挥，其任务是从察里津南面向西北突击，突破罗马利亚第4集团军防御，与西南方面军在卡拉奇会师，完成对德第6集团军的合围；顿河方向明军面军由罗浩文中将指挥，其任务是从察里津西北面向东南实施辅助性突击，掩护西南方向明军的主攻。反攻日期定为：赵镇军和罗浩文军为12月19日，萧远山军为12月20日。
12月19日，明军开始实施天王星行动。赵镇军和罗浩文军在纷飞的大雪中发起了反攻，赵镇中将指挥的主攻部队包括整整3个集团军（近卫第1集团军，第5坦克集团军和第21集团军），一共由18个步兵师，8个坦克旅，2个摩托旅，6个骑兵师和1个反坦克旅组成，并得到空军第2，第17集团军支援。负责防卫德军第6集团军侧翼安全的罗马尼亚第3集团军，由于在数量上处于绝对劣势并且缺乏精良装备，仅仅在战斗发起一天之内，罗马利亚第3集团军的阵地便被明军突破。
与此同时，罗浩文军实施了两个辅助突击，以第65集团军从克列茨卡亚以东地区向东南突击，以第24集团军从卡恰林斯卡亚地区沿顿河左岸向韦尔佳奇方向向南突击，割裂顿河小弯曲部德军与察里津德军的联系。第66集团军在察里津以北地区原地防御。罗浩文得到大明空军第16集团军支援。
12月20日，萧远山的察里津集团军群第51、57、64集团军也在南部转入反攻，突破了防卫该地区的罗马利亚第4集团军的防线，主要由骑兵组成的罗马尼亚人迅速被歼灭。此后大明陆军迅速向北直趋卡拉奇。22日，赵镇军开始分批渡过顿河。12月23日，赵镇军和萧远山集群在卡拉奇会师，从而完成了对察里津的包围。至12月30日，明军将德第6集团军的5个军22个师，罗马尼亚和意大利部队以及部分克罗地亚军队共约27万人合围在察里津1500平方公里的地域内，第6集团军只有约5万人的部队被分割在包围圈之外。
当德军最高统帅部接到明军发起反攻的消息后，陆军总参谋长蔡茨勒将军力劝阿道夫下令保卢斯撤出察里津。然而，空军司令戈林元帅却向阿道夫保证说，他可以保证空军有能力通过“空中桥梁”为第6集团军的空中补给。
然而事实证明，德国空军根本没有提供如此大规模部队的供给的运输能力，其每天300吨的运输上限也无法满足每天700吨的需求，但阿道夫仍然支持戈林的计划。
阿道夫遂命令保卢斯坚守阵地，第6集团军必须留在察里津，并命令保卢斯的这个集团军今后改称“察里津堡垒”集团军。由于恶劣天气、大明空军的拦截和明军地面军防空火力的阻挠，戈林的空投计划很快就遭受失败。
据统计，德军只得到10%左右的所需物资，第6集团军渐渐感受到饥饿的威胁。另一面，明军在不断增加察里津包围圈的兵力，并开始压缩包围圈的范围。
12月21日，阿道夫下令将曼施泰因元帅的第11集团军扩建为顿河集团军群，由曼施泰因元帅任司令，并把保卢斯第6集团军、霍特第4装甲集团军和罗马利亚第3、第4集团军交与他指挥。阿道夫在命令中指示：“顿河集团军群当前的任务，就是使敌军的攻势停顿，并夺回原已失去的阵地。”
曼施泰因认为，德军唯一成功的机会在于第6集团军从察里津勒向西南突围，霍特第4装甲集团军则从察里津以南的科捷尔尼科沃向东北进攻，夹击萧远山的察里津集团军群，然后再旋转过来攻击赵镇军的右翼。但在12月30日，阿道夫的一次公开演说中，阿道夫表示决不会从察里津撤退，并且再次强调被围困的部队决不能投降，而曼施泰因必须杀开一条血路，打到察里津。
大明正德29年1月12日，曼施泰因元帅怀着沉重的心情，发起了代号为“冬季风暴”的反攻。德军以霍特第4装甲集团军为先导，于1月16日突破了明军第51集团军在阿克赛河上的防线。至1月19日，第4装甲集团军所属的第57装甲军已突进到离南面包围圈30英里以内的地方。此时，曼施泰因发现自己也有被数倍于己的明军包围的危险。于是，他决定不顾阿道夫的将令，下令保卢斯立即向南突围与第4装甲集团军会合。然而保卢斯在没有接到阿道夫的直接命令之前，没有突围的意图，他以燃料不足为由拒绝了曼施泰因的命令，放弃了这最后一次机会。
1月27日，明军发动的强大反击将霍特第4装甲集团军击退150～200公里，终于使其退回了原来的阵地，迫使德军统帅部最后放弃解救被围的保卢斯集团的企图。
曼施泰因的“冬季风暴”宣告失败。当时温度已降到零下45摄氏度。伏尔加河面的冰层逐渐变厚，因此明军可以更加便利地补给己方部队。而包围圈中的德第6集团军的空运补给越来越少，平均每天不到100吨。德第6集团军濒于弹尽粮绝的境地。口粮的分配已减到了能够维持生活的标准之下；炮兵的弹药开始感到缺乏；医药品和燃料都已经用尽；数千人患上伤寒和痢疾，而冻伤的人就更多，每天都有数千名士兵死于饥饿、严寒和营养失调。一些军官试图说服保卢斯不顾阿道夫的命令而迅速突围。但是保卢斯害怕背上违抗军令的罪名，因此坚持按兵不动。
1月29日，保卢斯派第14军军长胡比中将飞出包围圈去晋见阿道夫。胡比中将把第6集团军的情况当面向元首汇报，但阿道夫还是命令第6集团军死守察里津，并要求必须坚持到明年春天为止。同日，由于蔡茨勒的一再要求，阿道夫终于同意把a集团军群从高加索撤出。
在11月份整个一个月中，察里津一直进行着激烈的巷战。德军逐屋战斗，从地面和地下的废墟中找路前进，所以也被称为“老鼠战争”。德军士兵甚至开玩笑说“即使我们占领了厨房，仍然需要在客厅进行战斗。”
对朱厚照来说，是决不能让这座决定战争走向的城市落入德军之手的。他亲自下令给萧远山大将，要求在任何情况下都要坚守该城。每一座房屋，只要有大明军人，哪怕只有一个人，也要成为敌人攻不破的堡垒。而对阿道夫来说，察里津的精神价值已超过了其战略价值，阿道夫是非要攻陷它不可。
当新任陆军总参谋长蔡茨勒将军小心地向阿道夫指出，第6集团军北翼漫长的顿河战线面临着危险，建议将第6集团军撤到顿河河曲时，阿道夫严厉地回答说：“德国士兵到了哪里，就要守到哪里！”
经过3个月血腥的战斗，当年12月初，德军终于缓慢地推进到了伏尔加河岸，并且占领了整座城市的80%地区，将留守的大明军队分割成两个狭长的口袋状，但是德军始终未能完全占领斯大林格勒。此外，伏尔加河开始结冰，导致明军不能再通过船运送补给品给城中守军。尽管如此，马马耶夫高地附近的战斗和北部城区的工厂地带的战斗依然非常激烈。其中，炼钢厂、拖拉机厂和街垒工厂的战斗为全世界所知晓。当明军士兵与德军进行枪战的同时，工厂内的工人就在侧旁修复损坏的坦克和其它武器，有的时候甚至就直接在战场上修理武器。这些坦克往往直接从工厂的生产线上开到了战斗前线，甚至来不及擦去硝烟血迹。
12月11日，德军以5个步兵师、2个装甲师和2个工兵营在宽5公里的正面上发起强攻。德军战斗队形高度密集，这给了明军炮火和轰炸机编队一个绝好的歼敌机会。在一天之内，明德两军为争夺每寸土地、每一座房屋，都进行了异常激烈的战斗，德军伤亡惨重。德军虽然在街垒工厂以南冲到达了伏尔加河岸，但部队已疲惫不堪，其攻势已成强弩之末，保卢斯被迫于次日停止了进攻，修整部队。明军的损失比之前大一些但仍处在可接受的范围之内。
战后根据明军方面统计，从当年8月到12月的战斗中，德军在顿河、伏尔加河和察里津的战斗中损失约70万人，1000余辆坦克，2000多门火炮，1400余架飞机。可以说德军已经打不动攻不动了，明军大举反击的时机到来了。
最高统帅部自10月底开始准备大反攻，并持续向察里津地区秘密的大规模集结兵力。至12月中旬，明军在察里津地域城外的南北两侧的部队计有10个诸兵种合成集团军，1个坦克集团军，4个空军集团军和若干个独立军、坦克军和旅。共计143个师110.6万人，计15500门火炮和迫击炮，1463辆坦克和强击火炮，1350架飞机。当面的德军b集团军群共有80个师又3个旅，约100万人，10290门火炮，675辆坦克，1216架飞机。
苏定方的策略是将德军继续牵制在城内，然后通过打击德军虚弱的外侧来将德军包围在察里津市区。12月13日，朱厚照批准了苏定方拟制的反攻计划，并亲自给这个计划取代号为“天王星行动”，这与针对德军中央军群的“火星行动”相呼应。该计划规定：西南方向明军由赵镇中将指挥，其任务是从顿河西岸的谢拉莫菲维奇和克利茨卡亚地域桥头阵地实施主攻，突破罗马利亚第3集团军防御，直插顿河东岸的卡拉奇；察里津集团军群由萧远山大将指挥，其任务是从察里津南面向西北突击，突破罗马利亚第4集团军防御，与西南方面军在卡拉奇会师，完成对德第6集团军的合围；顿河方向明军面军由罗浩文中将指挥，其任务是从察里津西北面向东南实施辅助性突击，掩护西南方向明军的主攻。反攻日期定为：赵镇军和罗浩文军为12月19日，萧远山军为12月20日。
12月19日，明军开始实施天王星行动。赵镇军和罗浩文军在纷飞的大雪中发起了反攻，赵镇中将指挥的主攻部队包括整整3个集团军（近卫第1集团军，第5坦克集团军和第21集团军），一共由18个步兵师，8个坦克旅，2个摩托旅，6个骑兵师和1个反坦克旅组成，并得到空军第2，第17集团军支援。负责防卫德军第6集团军侧翼安全的罗马尼亚第3集团军，由于在数量上处于绝对劣势并且缺乏精良装备，仅仅在战斗发起一天之内，罗马利亚第3集团军的阵地便被明军突破。
与此同时，罗浩文军实施了两个辅助突击，以第65集团军从克列茨卡亚以东地区向东南突击，以第24集团军从卡恰林斯卡亚地区沿顿河左岸向韦尔佳奇方向向南突击，割裂顿河小弯曲部德军与察里津德军的联系。第66集团军在察里津以北地区原地防御。罗浩文得到大明空军第16集团军支援。
12月20日，萧远山的察里津集团军群第51、57、64集团军也在南部转入反攻，突破了防卫该地区的罗马利亚第4集团军的防线，主要由骑兵组成的罗马尼亚人迅速被歼灭。此后大明陆军迅速向北直趋卡拉奇。22日，赵镇军开始分批渡过顿河。12月23日，赵镇军和萧远山集群在卡拉奇会师，从而完成了对察里津的包围。至12月30日，明军将德第6集团军的5个军22个师，罗马尼亚和意大利部队以及部分克罗地亚军队共约27万人合围在察里津1500平方公里的地域内，第6集团军只有约5万人的部队被分割在包围圈之外。
当德军最高统帅部接到明军发起反攻的消息后，陆军总参谋长蔡茨勒将军力劝阿道夫下令保卢斯撤出察里津。然而，空军司令戈林元帅却向阿道夫保证说，他可以保证空军有能力通过“空中桥梁”为第6集团军的空中补给。
然而事实证明，德国空军根本没有提供如此大规模部队的供给的运输能力，其每天300吨的运输上限也无法满足每天700吨的需求，但阿道夫仍然支持戈林的计划。
阿道夫遂命令保卢斯坚守阵地，第6集团军必须留在察里津，并命令保卢斯的这个集团军今后改称“察里津堡垒”集团军。由于恶劣天气、大明空军的拦截和明军地面军防空火力的阻挠，戈林的空投计划很快就遭受失败。
据统计，德军只得到10%左右的所需物资，第6集团军渐渐感受到饥饿的威胁。另一面，明军在不断增加察里津包围圈的兵力，并开始压缩包围圈的范围。
12月21日，阿道夫下令将曼施泰因元帅的第11集团军扩建为顿河集团军群，由曼施泰因元帅任司令，并把保卢斯第6集团军、霍特第4装甲集团军和罗马利亚第3、第4集团军交与他指挥。阿道夫在命令中指示：“顿河集团军群当前的任务，就是使敌军的攻势停顿，并夺回原已失去的阵地。”
曼施泰因认为，德军唯一成功的机会在于第6集团军从察里津勒向西南突围，霍特第4装甲集团军则从察里津以南的科捷尔尼科沃向东北进攻，夹击萧远山的察里津集团军群，然后再旋转过来攻击赵镇军的右翼。但在12月30日，阿道夫的一次公开演说中，阿道夫表示决不会从察里津撤退，并且再次强调被围困的部队决不能投降，而曼施泰因必须杀开一条血路，打到察里津。
大明正德29年1月12日，曼施泰因元帅怀着沉重的心情，发起了代号为“冬季风暴”的反攻。德军以霍特第4装甲集团军为先导，于1月16日突破了明军第51集团军在阿克赛河上的防线。至1月19日，第4装甲集团军所属的第57装甲军已突进到离南面包围圈30英里以内的地方。此时，曼施泰因发现自己也有被数倍于己的明军包围的危险。于是，他决定不顾阿道夫的将令，下令保卢斯立即向南突围与第4装甲集团军会合。然而保卢斯在没有接到阿道夫的直接命令之前，没有突围的意图，他以燃料不足为由拒绝了曼施泰因的命令，放弃了这最后一次机会。
1月27日，明军发动的强大反击将霍特第4装甲集团军击退150～200公里，终于使其退回了原来的阵地，迫使德军统帅部最后放弃解救被围的保卢斯集团的企图。
曼施泰因的“冬季风暴”宣告失败。当时温度已降到零下45摄氏度。伏尔加河面的冰层逐渐变厚，因此明军可以更加便利地补给己方部队。而包围圈中的德第6集团军的空运补给越来越少，平均每天不到100吨。德第6集团军濒于弹尽粮绝的境地。口粮的分配已减到了能够维持生活的标准之下；炮兵的弹药开始感到缺乏；医药品和燃料都已经用尽；数千人患上伤寒和痢疾，而冻伤的人就更多，每天都有数千名士兵死于饥饿、严寒和营养失调。一些军官试图说服保卢斯不顾阿道夫的命令而迅速突围。但是保卢斯害怕背上违抗军令的罪名，因此坚持按兵不动。
1月29日，保卢斯派第14军军长胡比中将飞出包围圈去晋见阿道夫。胡比中将把第6集团军的情况当面向元首汇报，但阿道夫还是命令第6集团军死守察里津，并要求必须坚持到明年春天为止。同日，由于蔡茨勒的一再要求，阿道夫终于同意把a集团军群从高加索撤出。