Группа армий «Юг» разделилась на две части. 28 июня 2-я, 4-я танковые и 2-я венгерская армии, объединенные в оперативную группу генерала Вейхса, начали наступление на Воронеж. Через три дня в наступление перешла 6-я армия Фридриха Паулюса. Преодолев яростное сопротивление советского арьергарда у Оскола, вермахт быстро продвигался вперед.
В конце июля 6-я армия достигла излучины Днепра в районе Калача и Клетской. Здесь Паулюсу впервые оказали упорное сопротивление части РККА на первом оборонительном обводе Сталинграда, и стало очевидно, что быстрое продвижение на восток и бои с арьергардами невозможны. Советские войска строили четыре оборонительных рубежа, но закончить их до прихода 6-й армии вермахта не успели. И все же 62-я и 64-я армии шесть суток сдерживали продвижение войск Паулюса, заставили его развернуть свою армию и выиграли время для укрепления средней, внутренней и городской обводы.
Несколько дивизий Фридриху Паулюсу пришлось оставить у Дона на левом фланге, поскольку 3-я румынская и 8-я итальянская армии еще не подтянулись. 4-я танковая армия Гота развернулась и направилась на юг. Дивизии, находившиеся в районе Цимлянской, продолжали наступление на Кавказ, а сил, повернувших на Котельниково, было недостаточно. В итоге 6-й и ослабленной 4-й танковой армиям пришлось вести фронтальное наступление на непрерывно усиливающуюся оборону Красной армии на Дону.
21 августа Паулюс захватил плацдарм северо-восточнее Калача, с которого его армия клином прорвалась к городу на Волге. Через четыре дня вермахт подошел к Сталинграду с запада.
Тактическая обстановка была крайне неблагоприятна и требовала фронтального наступления, однако Паулюсу удалось окружить город с запада и севера. Вермахт штурмовал Сталинград, два месяца ведя ожесточенные уличные бои. Город был практически уничтожен, немцы танками прокладывали себе путь от дома к дому. Здания огромных военных заводов стали крепостями. Люфтваффе жестоко бомбило Сталинград и переправы.
На левом берегу Волги советское командование расположило крупнокалиберную артиллерию, которая круглые сутки обстреливала позиции армии Паулюса. К 11 ноября в руках у РККА остался участок набережной в районе тракторного завода «Баррикады», где сражалась 62-я армия. В конце концов осталась только 138-я стрелковая дивизия. Паулюс не смог сбросить в Волгу три советских стрелковых полка, которые удерживали полосу берега до начала контрнаступления.
Но за несколько дней, с 19 по 23 ноября, на Восточном фронте сложилась невероятная ситуация: 6-я армия вермахта во главе с Фридрихом Паулюсом оказалась в окружении. Утром 21 ноября танки Красной армии прорвали позиции немецких войск и оказались всего в нескольких километрах от Голубинской, возле штаба 6-й армии. Паулюс, прилетевший в расположение окружаемых войск, срочно переместил свою ставку на железнодорожную станцию Гумрак к западу от Сталинграда. В тот же день командующий 6-й армией связался с руководством, требуя отвести войска за Дон и Чир. Но Гитлер приказал Паулюсу оставаться в Сталинграде и удерживать позицию любой ценой. 23 ноября Паулюс сообщил фюреру, что его армия должна оставить город и вырваться из кольца. Но Гитлер отдал 6-й армии приказ ждать подкрепления.
Пока немецкие солдаты гибли в заснеженных сталинградских степях, начальник штаба Цейтцлер предпринимал отчаянные попытки убедить фюрера вывести армию Паулюса из «котла». Гитлер полагался на новые тяжелые танки — «тигры», которые могли бы снаружи прорвать окружение. Машины еще не были испытаны в бою, и никто не знал, как они поведут себя в условиях русской зимы, но фюрер верил, что даже один батальон «тигров» сможет переломить ситуацию под Сталинградом. Курт Цейтцлер, понимая всю нелепость подобных ожиданий, 23 ноября потребовал от Гитлера отдать 6-й армии приказ с боем выходить из окружения, пока еще есть запасы горючего и снарядов. Но Гитлер отказался принять такое решение.
Паулюс перегруппировал силы, в результате чего появилась надежда прорвать кольцо окружения, нужно было только снять войска с Волжского фронта. Но Паулюс подчинился приказу Гитлера и погубил 6-ю армию. Подкрепление с Кавказа опоздало, и советские войска расширили внешнее кольцо и укрепили его. Помощь была в 50 километрах от Паулюса, но фюрер приказал держать направление на танковую группу «тигров» Гота.
10 января 1943 года генерал-полковник Паулюс, несмотря на безнадежное положение своей армии, отказался капитулировать, собираясь до конца сдерживать окружавшие его советские войска. В тот же день Красная армия начала операцию по уничтожению 6-й полевой армии вермахта.
Последней радиограммой Паулюсу был приказ о его производстве в фельдмаршалы, это было равноценно приглашению к самоубийству. Рано утром два советских офицера пробрались в подвал полуразрушенного здания и передали фельдмаршалу ультиматум. После полудня Паулюс на машине выехал в штаб Донского фронта, сдался в плен и подписал капитуляцию.