Тридцатого октября подразделения 97-й и 96-й отдельных стрелковых бригад, входивших в состав 64-й армии, начали операцию по улучшению своих позиций в районе рощей «Топор» и Квадратная и Купоросной балки. 14–16 ноября части 96-й отдельной стрелковой бригады и 77-го укрепленного района проводили операцию по захвату южной части Купоросное, а части 64-й армии, находившиеся на правом фланге, нанесли удар по высоте 128,2, которая уже несколько раз переходила из рук в руки. Шумилов подъехал на командный пункт 38-й стрелковой дивизии в то время, когда там шло обсуждение вопроса о том, как же брать эту высоту: либо обходить, либо бить в лоб. Шумилов, выслушав все соображения, принял решение: подтянуть как можно больше артиллерии, «Катюши» и сровнять эту высоту с землей.
Девятнадцатого ноября началось контрнаступление советских войск под Сталинградом. В этот день первыми пошли вперед войска Юго-Западного и Донского фронтов. Услышав мощный залп «Катюш», затем гром артиллерии, бойцы и командиры от души радовались, бросали вверх шапки.
Наступило туманное утро 20 ноября. Пора начинать артподготовку, но туман не рассеивается, в придачу к этому посыпал большими хлопьями снег. Ни противника, ни соседей не видно. Шумилов и все собравшиеся на его командном пункте волновались, то и дело звонили в службу погоды. Командующий фронтом А. И. Еременко тоже тревожил Шумилова звонками: «Как видимость у вас? Будем ждать…» Лишь в 13 часов 30 минут несколько сотен орудий и «Катюш» ударили по высоте 128,2. Она была словно охвачена огненным смерчем, многие бойцы впервые видели такой массированный артиллерийский удар. Мощный огонь пробил брешь в обороне врага, и в нее устремилась пехота. Ни снег, ни буран, ни мороз, ни отчаянное сопротивление противника не могли остановить рвавшихся вперед советских солдат. Оборона противника (100-я легкопехотная, 71-я, 371-я, 297-я пехотные немецкие, а также 20-я румынская пехотная дивизии) как на севере, так и на юге была взломана. В прорыв ринулись мобильные группы, которые 23 ноября соединились в районе хутора Советский. Крупная группировка немецких войск была окружена.
Двадцать третьего ноября командующий 64-й армией издал приказ № 20: «7 стрелковому корпусу с прежними средствами усиления, удерживать занимаемый рубеж и быть готовым к отражению атак танков и пехоты с направления Зеленая Поляна, Песчанка, Соловьев. Всеми видами огня и активными действиями боевой разведки не допустить перегруппировок противника перед фронтом корпуса и соседа слева, иметь части в готовности к наступлению в направлении Песчанка». В составе корпуса к этому времени оставались 93, 96, 97-я отдельные стрелковые бригады и сводно-курсантский полк. Задача, поставленная этим приказом Шумилова, корпусом была выполнена.
С 23 ноября и до конца декабря 1942 года войска 64-й армии продолжали держать кольцо блокады, отразив все попытки немцев вырваться из окружения. Командующий окруженной в районе Сталинграда 6-й немецкой армией Ф. Паулюс получил приказ Гитлера организовать круговую оборону и ждать помощи извне. Немецкое командование предпринимало значительные усилия по деблокаде оказавшихся в «котле» своих солдат.
Командующий группой армий «Дон» генерал-фельдмаршал Э. фон Манштейн в срочном порядке подготовил операцию по деблокаде Сталинградского «котла». В бой пошла ударная группа, основу которой составила 4-я танковая армия Г. Гота. Возобновились тяжелые бои. Положение становилось настолько опасным, что Шумилов развернул на юг из своего резерва две стрелковые дивизии. Подошедшая 2-я гвардейская армия генерал-лейтенанта Р. Я. Малиновского изменила ситуацию в пользу советских войск. 4-я немецкая танковая армия, понеся большие потери, начала отход. Таким образом, замысел немецкого командования по освобождению окруженной группировки Ф. Паулюса рухнул. В канун нового, 1943 года, 31 декабря, Шумилову присвоено воинское звание генерал-лейтенант.
Доклады командующего 64-й армией Шумилова об обстановке в ходе сталинградских боев всегда были исчерпывающи и объективны, а его смелые, четкие решения были всесторонне продуманы и говорили о высокой оперативной культуре. Взаимоотношения с подчиненными он строил на суровой, но справедливой требовательности и отеческой заботе об их нуждах. Маршал Советского Союза Ф. И. Голиков вспоминал: «Командующие 64-й и 57-й армиями генералы М. С. Шумилов и Ф. И. Толбухин показали себя истинными мастерами своего дела. Они отличались высокой идейной и морально-политической закалкой, бдительностью, зоркостью, энергией и быстротой осуществления своих решений».