1943年1月8日，苏顿河方面军司令员罗科索夫中将向德第6集团军司令保卢斯上将发出最后通牒，敦促其投降。保卢斯电告希特勒，要求准予他相机行事，被驳回。10日，罗科索夫斯基的顿河方面军向被围的德第6集团军发起了代号为“指环”的进攻，深陷重围的德军开始从斯大林格勒郊区向城区收缩防守。希特勒授予保卢斯德国陆军元帅节杖，以鼓励其继续抵抗下去。他对约德尔说：“在德国历史上，还从来没有元帅被生俘的。”希特勒也希望保卢斯能够战斗到底或自杀殉国。

而保卢斯没有让他如愿，他选择了投降。天王星行动将200，000至250，000名德军士兵围困在一个由东至西50千米(31英里)和由南到北40千米(25英里)的包围圈里。包围圈内的部队包括德国第6军团所属的4个步兵军、1个隶属第4装甲军团的装甲军、2个罗马尼亚师的残部、1个克罗地亚步兵团及其它特别单位，被围困的装备有大约140辆坦克、2，000门火炮或迫击炮及10，000辆军车。向斯大林格勒撤退的路上扔满了钢盔、武器及其它装备，而被破坏的重型装备亦被遗弃在路旁。横跨顿河的桥梁拥堵不堪，生还的轴心国士兵在寒冷的冬天中匆忙地向东撤退，以免被苏军坦克和步兵拦截在斯大林格勒城外。很多受伤的轴心国士兵被踩踏，不少试图越过冰面过河的士兵也落入河中淹死。饥饿的士兵扫荡苏联的村庄找寻物资，军用后勤站也常常遭到抢掠。

这次苏军获得了巨大的胜利。斯大林格勒战役都是二战中甚至人类战争史上最为惨烈的战役之一。整个战役持续199天。由于战役规模太大，伤亡者人数始终无法得到准确统计。在战役最后阶段，德军仍然对苏联红军造成了沉重的打击，同时，苏联红军也几乎消灭了德军第6集团军全部和第4装甲集团军部分，有21个德国师的番号被从序列表中消去，另有大量直属部队被消灭。

西方学者估计轴心国军队在这场战役中共伤亡85万人，其中75万人阵亡或受伤，9.1万人被俘。而苏联方面的估计为消灭轴心国部队150万人。无论是哪种估计，德军在斯大林格勒战役中损失了东线南翼兵力1/4的说法得到了大部分人的认同。斯大林格勒会战的失败，使德军发动了后来的库尔斯克会战作为夺回苏德战场主动权的最后希望，却因此而完全丧失了苏德战场的战略主动权，正如德国陆军总参谋长蔡茨勒将军所说的：“我们在斯大林格勒损失25万官兵，那就等于打断了我们在整个东线的脊梁骨。”同时，苏联也付出了沉重的代价，苏联红军具体伤亡人数为：474871人死亡，650878人受伤或被俘，合计伤亡1129619人。在德军攻入城区的短短1星期内，超过4万苏联市民被杀，而在整个战役中牺牲的平民人数没有准确的统计，但可以说远远超过这个数字。此役，苏联红军的损失仍然要超过德军，不同的是：德军是被整建制消灭，战斗力不复存在，新的部队不经一段时间的训练形不成战斗力；而苏联红军残存的部队补充新兵，以老带新，可以迅速形成战斗力。而且德军人员和物资难以补充，苏联红军补充的速度和数量则远超德国。德国的实力因此而衰弱。

刚刚被希特勒授予元帅军阶的保卢斯及其手下的步兵第4军军长普费费尔中将、第51军军长库尔茨巴赫中将、第295师师长科尔费斯少将等德军高级将被迫投降。与保卢斯一同被俘的，有23位将官，2000名校级以下军官和9万名士兵。苏联在斯大林格勒会战取得的胜利具有重大的政治、军事意义。这次胜利，对争得苏联伟大卫国战争乃至整个第二次世界大战的根本转折作出了决定性贡献。斯大林格勒会战的结果，使苏军从德军手中夺取了战略主动权，并一直保持到战争结束，同时它鼓舞了各国人民同法西斯占领者进行更加坚决的斗争。

斯大林格勒保卫战，可以说是人类历史上最残酷的战争，这样的说法不是没有根据的，斯大林格勒保卫战开始。面对德军发起的连续性猛攻，苏联最高统帅部则命令该城守军采取一切措施守住阵地，为了防止部队后撤，苏联使用督战部队严格控制战场，许多新兵被迫在己方机枪下不停冲锋，从后方刚运抵的新兵平均存活时间不超过24小时。在斯大林格勒争夺战中，苏军击退德军700多次冲锋，使德军始终无法攻占全城。

双方投入及伤亡力量史无前例。期间，双方的参战人数达到了史无前例的规模：德军共投入101万人， 10，250门火炮， 675辆坦克，732架飞机。苏军则为110多万人，15，501门火炮， 1，463辆坦克， 1，115架飞机，军事力量投入上超过德国。这场惨烈的战争直到1943年2月2日正式结束，历时199天。由于战役规模太大，伤亡者人数始终无法得到准确统计，一名德军士兵指出他们一天损失约 2，000名士兵。

斯大林格勒战役保卫战中，苏军共伤亡113万。而纳粹德国方面，西方国家估计纳粹共有 75万人死亡或受伤，9万人被俘，占其在苏德战场作战总兵力的1/4。斯大林格勒战役直接造成了苏联与德国力量对比的根本变化，不仅成为苏德战争的转折点，也是第二次世界大战东部战线的转折点，单从伤亡数字来看，该战役是近代历史上最为血腥的战役。