1942 nyarán a német hadsereg megindította a „Kék terv” (Fall Blau) végrehajtását, melynek célja a Kaukázus olajmezőinek elfoglalása illetve a Volga folyó elérése (és ezzel a szovjet Kaszpi-tengeri fő közlekedési útvonal elvágása) volt. A Kék terv fő csapásirányában – a Volga folyó felé – a Wehrmacht legnagyobb tábori hadserege a 6. hadsereg, a 4. páncéloshadsereg egyes részei, illetve a szövetséges országok haderői vonultak fel (pl. olasz, román, magyar haderők). A hadművelet gyorsan haladt előre, a Don folyó átlépését követően pedig elérhető közelségbe került a Volga folyó. A hadművelet ezen szakaszában még csak érintőlegesen említette a Wehrmacht főparancsnoksága Sztálingrádot, mint ipari központot, amelynek elfoglalása nem szerepelt az offenzíva céljai közt (csak a Volga folyó elérése volt a cél). A hadműveletek gyorsan haladtak, mert a Vörös Hadsereg tanulva az 1941-es év katonai katasztrófáiból visszavonta csapatait az azok bekerítésére törekvő Wehrmacht elől.

A város – minden bizonnyal neve miatt – egyre fontosabbá vált a két hadsereg, a két diktátor küzdelmében. Elfoglalása Hitler rögeszméjévé vált (mint német katonák megjegyezték: Hitler Kalinovkáért nem harcolt volna ennyire), megtartásáért Sztálin mindent megtett volna (a várost védő seregek élére a fanatikus Csujkov tábornokot nevezte ki, aki arra a kérdésre, hogy milyen esélyt lát Sztálingrád megvédésére azt válaszolta: „Ha meg kell halnunk, akkor meg fogunk halni!”), noha a város katonai vagy ipari jelentősége 1942 végére jelentős mértékben csökkent (ipari üzemeit folyamatosan bombázták, a Volgán való szállítást pedig a folyó elérésével máshol is meg lehetett volna akadályozni).

A várost szeptemberben érte el az addigra már jelentős veszteségeket szenvedő 6. hadsereg. Sztálingrád ostroma a világtörténelem első komoly városi csatájaként méterről méterre, házról házra folyt kézigránátcsatákkal, ásókkal, pisztollyal vívott közelharcban. A német hadvezetés nem szokott a szűk utcákhoz és romhalmazzá vált házakhoz, a háború korábbi szakaszaiban alkalmazott páncélostaktika kivitelezhetetlen volt (a gyalogharcban bevetett – és elvesztett – kiválóan képzett páncélos-személyzet pedig égetően hiányzott a csata későbbi szakaszában). A szovjet védők mindvégig képesek voltak tartani a Volga partvonalának egyre zsugorodó részét, az utánpótlást szállítását sem tudták a németek megakadályozni.

1942 novemberében megkezdődött a szovjetek ellentámadása a 6. hadsereg gyengén védett szárnyain a román és az olasz seregtestek ellen. A román seregek összeomlottak, néhány napon belül 5 hadosztályukat bekerítették, képtelenek voltak a támadás feltartóztatására, így a bekerítés sikerrel járt. Hitler megtiltotta a 6. hadsereg (és a vele együtt bekerített 4. páncéloshadsereg egyes részei) számára a kitörést, és ígéretet tett a csapatok légi úton való ellátására (amelyre azonban sem elegendő repülőgép, sem elegendő repülőtér nem állt rendelkezésre). A 6. hadsereg felmentésére indított támadást a Vörös Hadsereg visszaverte, a légi utánpótlás pedig elégtelen volt. Paulus tábornagy december 23-án jelezte, hogy csapatai képtelenek kitartani a –40 °C-os hidegben.

Két nappal később megindult a sztálingrádi német helyőrséget elsöprő szovjet támadás. Paulus folyamatosan követelte csapatai felmentését. Mindhiába. Január végére a német ellenállás megtört, a katlant két részre vágta a Vörös Hadsereg, a német seregtestek pedig megadták magukat. A csatát követően mintegy 95 000 német katona kerület hadifogságba, akiknek döntő többsége a hadifogolytáborban (vagy az oda vezető úton) életét vesztette, a háború végén mintegy 5000-en térhettek csak haza Németországba.