斯大林格勒位于伏尔加河下游西岸，现名伏尔加格勒，是伏尔加河的重要港口，又是苏联南方铁路交通的枢纽。德军占领乌克兰后，斯大林格勒成为苏联中央地区通往南方重要经济区域的唯一交通咽喉，战略位置极为重要。如果德军占领这一地区，苏联就会失去战争所需要的石油、粮食和重要的工业基础，而德国此时也迫切需要这些资源。在即将发动攻势之前，希特勒对德第六集团军司令保卢斯说：“如果我拿不到迈科普和格罗兹尼的石油，那么我就必须结束这场战争。”
按照希特勒的要求，德军最高统帅部拟订了1942年夏季南方作战计划，代号“蓝色行动”，德军投入150万兵力开始了对斯大林格勒的进攻。7月17日，霍特第四装甲集团军推进到顿河中游，保卢斯第六集团军也前出到顿河大弯曲部，一切都进行得相当顺利。但此时希特勒突然改变了作战计划，他认为攻占斯大林格勒无需那么多兵力，遂于17日命令霍特第四装甲集团军从斯大林格勒方向南下，调往高加索地区。这样，向斯大林格勒进攻的德军就只剩下了保卢斯的第六集团军。对此英国军事家富勒写道：“和1941年一样，因为分散了兵力，希特勒自己毁灭了他的战役。”
7月23日，德军的攻势进入高潮，进展之顺利甚至出乎德军自己的预料，苏联军队在空旷的大草原上很难进行有效的抵抗。然而，第六集团军在战役初期取得的令人满意的战果使希特勒再次改变了计划。当时苏军正在顿尼茨盆地和顿河上游之间全线后撤，一路向东撤到斯大林格勒，另一路向南退守顿河下游。德军必须当机立断，是集中兵力拿下斯大林格勒还是把主要矛头指向高加索，以夺取苏联的石油。此时的希特勒被一时的胜利冲昏了头脑，他错误地认为苏军已经无力抵抗，斯大林格勒已是唾手可得，于是做出了要同时拿下斯大林格勒和高加索的狂妄决定。
9月13日，德军以18万人及500辆坦克向保卫斯大林格勒的苏第六十二集团军发起猛攻，在几个地段突破苏军防线攻入市区，残酷的市区争夺战开始了。14日，争夺市中心的激战达到了白热化的程度，德军从早到晚冲锋不止，死伤惨重，日伤亡3000多人。据守斯大林格勒的苏六十二集团军战士，抱着与城共存亡的决心和德军浴血战斗，城中每一处残垣断壁都成了抵抗德军的堡垒。在贴身肉搏中，德军占优势的飞机大炮都用不上了，守军的顽强反击，使德军陷入了困境。一个德国士兵在家信中哀叹：“我们不久就可以占领斯大林格勒，但是它仍然在我们面前——相距如此之近，却又像月亮那样遥远。”
严寒的冬季终于到了，毫无过冬准备的德军士兵陷入饥寒交迫中，战斗力一天天衰弱下去，战场形势逐渐开始变化。11月下旬，苏军开始实施“天王星行动”，以120万人、1400架飞机、1.5万门大炮开始了大反攻。11月23日，苏军把33万德军困在了包围圈中，弹尽粮绝的德军处在对死亡的恐惧之中。德军司令保卢斯在笔记中写道：“解围的希望破灭了，疲惫的士兵都在斯大林格勒的地下室里为自己寻找避难所，越来越多听到关于反抗已毫无意义的抱怨声。”
保卢斯向希特勒发出突围撤退的请求，但刚从阿尔卑斯山赏雪归来的希特勒发来一份急电：“不许投降，第六军团必须死守阵地，直至一兵一卒一枪一弹。”陷入了绝望之中的保卢斯垂头丧气地坐在地下室的行军床上，向希特勒发出最后一份急电：“部队将于24小时内最后崩溃。”万般无奈的希特勒急忙发出一份电令，升保卢斯为陆军元帅，其余120名军官也各升一级。希特勒希望他的封官进爵能加强德军将士“光荣殉职”的决心，但接到电令的保卢斯彻底失去了希望。
1943年2月2日，持续了6个月之久的斯大林格勒会战终于结束了。9万名德国官兵——其中包括保卢斯在内的24名高级将领——穿着单薄的衣衫，抓紧裹在身上的满是血污的毛毯，在-25℃的严寒下，一步一拐地走向寒冷的西伯利亚战俘营。斯大林格勒会战给了希特勒以致命的打击，德军从此开始步步后退，此战因此成了苏德战争的转折点。
这次战役中，希特勒不了解战况，在进攻时分散兵力，让霍特第四装甲集团军往返奔走，贻误战机，又不给前线将领一定的临机处置权，使保卢斯这位德国陆军副总参谋长眼睁睁看着左翼后方存在着被利用的危险而无可奈何，明知应立即向西南突围但又不敢违背希特勒的命令，最终导致坐以待毙。
