Однако 1 декабря командующий группой армий «Дон» фельдмаршал Манштейн отдал приказ 8 декабря начать операцию по деблокированию окруженных под кодовым названием «Зимняя гроза». 4-я танковая армия Гота должна была из района Котельниково ударить в тыл или во фланг советским войскам, занимавшим внешний фронт окружения южнее или западнее Сталинграда. Одновременно 48-й танковый корпус из армейской группы генерала Карла Адольфа Холлидта должен был ударить в тыл советских войск с плацдарма на реках Дон и Чир в районе станицы Нижне-Чирская. В тот момент, когда расстояние между внешним и внутренним фронтами окружения сократилось бы до 30 км, 6-я армия должна была нанести встречный удар в направлении реки Царица. Этот встречный удар был назван операцией «Удар грома». Но наступление с плацдарма на Чире немецкому 48-му корпусу начать не удалось, поскольку он сам подвергся ударам войск Юго-Западного фронта. Здесь было кратчайшее расстояние до окруженных, поэтому советское командование сосредоточило против Холлидта значительные силы.
Наступление котельнической группировки пришлось перенести на 12 декабря, поскольку необходимо было дождаться прибытия из Франции 6-й танковой дивизии, главной ударной силы 4-й танковой армии. Деблокирующей группировке, насчитывавшей более 600 танков, противостояла 51-я армия генерала Николая Труфанова. Она, с учетом подошедших резервов, не уступала противнику в численности личного состава и артиллерии, но имела втрое меньше танков.
До соединения с Паулюсом Готу надо было пройти 120 км. Наступление велось вдоль железной дороги Тихорецк – Сталинград. 12 декабря немецкие танки прорвали оборону 51-й армии у полустанка Курмоярский. 13 декабря группировка Гота вышла к реке Аксай и захватила плацдармы на ее северном берегу. 14 и 15 декабря 51-я армия при поддержке 4-го танкового корпуса генерала Вольского нанесла контрудар и отбила у противника хутор Верхне-Кумский. Бои за этот хутор продолжались до 19 декабря, когда немцы вновь заняли Верхне-Кумский и оттеснили армию Труфанова к реке Мышкова – последнему естественному рубежу на пути к Сталинграду, до которого оставалось 50 км.
19 декабря Манштейн испросил у ОКВ дать разрешение Паулюсу на прорыв, а самому Паулюсу приказал готовить «Удар грома».
В связи с наступлением котельнической группировки Сталин распорядился отложить операцию «Сатурн». Первоначально предназначенную для ее проведения 2-ю гвардейскую армию генерала Малиновского еще до начала наступления Гота было решено бросить на разгром сталинградской группировки. Однако после того как 51-я армия стала стремительно отступать, Сталин по совету Василевского решил использовать 2-ю гвардейскую армию против котельнической группировки. Как показали последующие события, оптимальным решением было бы использовать армию Малиновского для наступления на Ростов, так как армия Гота вынуждена была начать отступление из-за разгрома итальянцев на Дону еще до того как 2-я гвардейская армия была введена в бой на котельническом направлении. Что же касается идеи использовать армию Малиновского для ликвидации сталинградской группировки, которую отстаивал командующий Донским фронтом Рокоссовский, то вряд ли это решение привело бы к быстрой капитуляции 6-й армии. Ведь когда в январе Донской фронт начал операцию по ликвидации «котла», получив подкрепления не меньшие, чем армия Малиновского, бои в Сталинграде все равно продолжались три недели, несмотря на то, что армия Паулюса к тому времени была значительно больше истощена и испытывала более острые трудности с боеприпасами, чем в декабре.
16 декабря была начата операция «Малый Сатурн» силами Воронежского и правого крыла Юго-Западного фронтов. В результате уже 21 декабря была разбита 8-я итальянская армия. Советские войска стали угрожать тылу группы армий «Дон». Манштейну пришлось уже 23 декабря приказать Готу прекратить наступление и перебросить наиболее сильную 6-ю танковую дивизию для отражения советского наступления на Среднем Дону. Манштейн считал, что единственное спасение для 6-й армии – это немедленный прорыв на соединение с котельнической группировкой, еще находившейся у реки Мышкова. На этот раз против прорыва не возражал и Гитлер. Однако Паулюс не рискнул прорываться, считая, что у него не хватит горючего, чтобы соединиться с Готом. Для прорыва 6-й армии требовалось совершить перегруппировку, которая бы в условиях дефицита горючего и снежной и морозной зимы заняла бы несколько суток. А за это время группа Гота вынуждена была бы отступить еще дальше на юг, и, даже прорвав внутренний фронт окружения, немецкие солдаты оказались бы в заснеженной степи без горючего и продовольствия, что означало бы верную смерть.
После провала операции «Зимняя гроза» окруженные были обречены.10 января 1943 года началось последнее наступление Донского фронта генерала Константина Рокоссовского против армии Паулюса, который, произведенный в фельдмаршалы, капитулировал 31 января. 2 февраля прекратила сопротивление северная группировка окруженных.