莫斯科会战之后，德军实力大为削弱。但希特勒企图依仗德军在兵力上的优势，再次发动进攻。1942年4月5日，德统帅部发布第41号命令，决定发动一次夏季攻势。这次攻势的主要目标放在两翼，即北方占领列宁格勒，南方攻占高加索。斯大林格勒，既可为攻入高加索提供战略侧翼掩护，控制伏尔加河与顿河之间的咽喉地带；又可以转而向北，迂回包抄莫斯科的苏军后部。为此，希特勒便以斯大林格勒为南线首要的战略目标。
在斯大林格勒会战之前，双方军队在克里木和哈尔科夫展开了激烈的战斗。5月8日，德第11集团军向刻赤半岛发动了进攻，5月15日在克里木的苏军被迫撤退，16日德军占领到赤市，这样，除塞瓦斯托波尔要塞外，克里木全部被德军所占领。6月7日，德军以11个师的兵力攻打塞瓦斯托波尔，苏军顽强抵抗，6月30日终于失守。苏军坚守达8个月之久的塞瓦斯托波尔的陷落使苏军失去黑海舰队的主要基地。
5月12日，由铁木辛哥元帅指挥的苏军西南方面军为围歼德第6集团军而展开了哈尔科夫进攻战，而德军于5月17日也在哈尔科夫方向发动进攻，双方展开激烈的遭遇战。5月17日，德第一坦克集团军和第17集团军，包抄到苏西南方面军后方，5月23日，与德第6集团军在巴拉克列亚以南会合，切断苏军退路。至5月29日，被围苏军第6、57、9集团军大部被歼，少量突围，24万人被俘，西南方面军副司令员科斯坚科等数名高级将领牺牲，苏军遭到重大挫折，只能转入防御。
6月28日，德军发动了新的夏季攻势。首先是沃罗涅日进攻战，由德“魏克斯”集团军群和第6集团军实施，从库尔斯克向顿河进攻，7月6日，德军攻占沃罗涅日。接着，德军实施了代号叫做“克劳塞维茨行动”的进攻战，由第一坦克集团军实施，7月23日占领罗斯托夫这重要的战略据点，顿河弯大拐的河曲地区和下游均被德军攻占，苏军后退150-400公里，严重威胁斯大林格勒和北高加索。
一场血战势不可免。
为了保卫斯大林格勒，苏最高统帅部在7月12日决定撤消西南方面军，成立斯大林格勒方面军，下辖由预备队调来的第62、63、64集团军和原属西南方面军的第21、28、38、57集团军及空军第8集团军，但在38个师中，只有18个师是满员的。布置在530公里长的顿河防线上。
7月17日，由鲍卢斯率领的德第6集团军在顿河河曲处与苏第62、64集团军接火。斯大林格勒大会战正式开始了，德军分两路向卡拉奇方向猛攻企图强渡顿河，直扑斯大林格勒，苏军且战且退，去顿河东岸建立防线。7月中旬到下旬，最高统帅部派来了补充兵员，并新组建了第1和第4坦克集团军。7月25至27日，总参谋长华西列夫斯基亲自组织第1和第4坦克集团军对德军占领的卡拉奇地域实施反突击，但未能恢复原有态势。7月30日，希特勒下令将德坦克第4集团军从高加索方向调头转向斯大林格勒西南方向，企图配合主力第6集团军从西北和西南两个方向突入斯大林格勒。7月28日，斯大林发布第227号命令，要求指战员为保卫苏联每一寸领土，坚持到流尽最后一滴血。为适应斯大林格勒地区明显形成两个战役方向的需要，8月5日，苏最高统帅部将斯大林格勒方面军改组为两个方面军：东南方面军，下辖第64、57和51集团军以及近卫第1集团军和空军第8集团军，由叶廖缅科上将指挥；斯大林格勒方面军：保留第63、21、62集团军和坦克第4集团军。8月12日，派遣苏共中央书记马林科夫和总参谋长华西列夫斯基来到前线，协助两个方面军加强防御措施。从7月17日至8月17日一个月的外围防御战中，由于苏军的顽强抗击，德军仅前进了60-80公里。
8月18日起，斯大林格勒进入了近郊防御战。
在北线德第6集团军以9个师兵力组成的突击集团向东发起突击；在南线，德第4坦克集团军也用9个师兵力，向北突击，企图一举拿下斯大林格勒。8月23日，是战斗非常激烈的一天，德第6集团军的坦克第14军渡过顿河，进逼伏尔加河，把苏军第63、21和第4坦克集团军与市内的第62集团军及司令部的联系切断，德军又出动飞机2000架次，对该城狂轰滥炸，城市遭到严重破坏。德军一部已开始进攻到拖拉机工厂，形势极为严重。8月29日，最高统帅助理朱可夫飞抵前线，在那里协调和组织防御。为减轻市区部队的压力，苏第62、21和近卫第1集团军及第24、66集团军对德军实施了几次反突击，将德军阻于西北市郊，但进展不大。朱可夫、华西列夫斯基等将领认为，以现有的兵力和部署是不可能突破敌人战斗队形的，需要找出别的办法，并建议：一、继续以积极防御疲惫敌人；二、准备反攻，在斯大林格勒地区围歼敌人。
9月12日，希特勒从设在乌克兰的文尼察大本营下令，要求德军尽快攻占斯大林格勒，9月13日，德军调动坦克部队，向市区发动新的攻势，市区争夺战开始了。向市区进攻的德军共13个师，17万人；火炮1700门，坦克500辆。担任市区防守的苏军是第62、64集团军，共9万人，火炮1000门，坦克120辆。
9月13日，德军向崔可夫中将指挥的62集团军防守的马马耶夫岗和火车站发起强攻，14日下午占领第一火车站。市区的争夺战达到白热化程度，每一个街区、每一幢楼房都展开了残酷的搏斗。至9月27日，德军在付出重大伤亡后，占领市区的中部和南部。
从9月27日至11月18日，双方为争夺城市北部的工厂区展开了激烈的血战。9月28日，原斯大林格勒方面军改称为顿河方面军，由罗科索夫斯基中将指挥；东南方面军改称为斯大林方面军，由叶廖缅科上将指挥。双方都不断增加兵力，准备决一胜负。10月份，双方为争夺拖拉机厂、“街垒”厂和“红十月”厂展开了白刃战。15日德军占领拖拉机厂。但苏军62集团军主力牢牢固守住“红十月”
工厂区及狭长的沿河地带，苏军第138师固守“街垒”工厂，直到反攻。为减轻市区压力，顿河方面军在10月19日从该城北面发起反突击；25日，第64集团军从南部向德军发起反突击。至11月18日，斯大林格勒会战的防御阶段结束，苏军在消耗德军大量有生力量后转入反攻。
反攻前，苏军已向斯大林格勒调集大量部队，苏军三个方面军(包括新组建的由瓦杜丁中将指挥的西南方面军)共有110万人，15500火炮，1463辆坦克和1350架飞机；而德“B”集团军群所属兵力共有101万人，火炮10290门，坦克675辆，飞机1216架。在兵力与武器上，苏军已占优势。
11月19日，苏西南方面军在2000门大炮掩护下，从谢腊菲莫维奇和克列茨卡亚出发，向敌第6集团军群所属的罗马尼亚第3集团军阵地猛攻，23日渡过顿河，占领卡拉奇。与此同时，斯大林格勒方面军也突破敌军防线在卡拉奇会合，这样使德第6集团军群22个师陷入重围。希特勒一面命令鲍罗斯元帅死守防线，一面命冯·曼施泰因元帅组建顿河集团军群，前去解围，主要集中在科捷列尼科夫斯基地区和托尔莫辛地区，准备向斯大林格勒进攻。12月15日，苏军将这支德军增援部队阻止于阿克赛地区。24日苏军反攻，进抵科捷列尼科夫斯基，德援军残部退至罗斯托夫，德军解围计划破产。12月30日，苏最高统帅部命令顿河方面军歼灭被围德军，1月8日，向鲍罗斯发出最后通牒，但希特勒不准投降。1月10日，苏军开始用大炮轰击包围圈内的敌人，1月26日，苏第21、65、62集团军同时对德军实行东西夹击，苏军在“红十月”工厂区和马马耶夫岗胜利会师。1月31日，鲍罗斯宣布投降。2月2日，斯大林格勒战役结束，德军死14万余人，被俘91000人，(包括鲍罗斯在内的24名将军)。德军在斯大林格勒损失80多万人，坦克2000辆，火炮1万门，飞机3000架。
斯大林格勒战役是苏联卫国战争中的转折点，从此在苏德战场上，苏军完全掌握了战略主动权。
这次战役的胜利，也标志着世界反法西斯战争的重大转折，它打破了德军不可战胜的神话，动摇了德国的地位，使法西斯侵略集团开始分崩离析，也极大地鼓舞了全世界反法西斯人民的斗志，巩固和扩大了世界反法西斯统一战线。
希特勒于1942年发动高加索战役的主要目的是占领那里的油田。图为苏联巴库里海沿岸油井井架林立的壮观景象。
1942年8月，德军鲍卢斯的第六军团进抵顿河，图为正准备渡河的德军。
塞瓦斯托波尔是苏联里海的重要港口和里海舰队的主要基地。图为该港口城市遭德军猛烈炮轰的情景。
后备步兵团开往斯大林格勒战场，为保卫斯大林格勒而战。
德军轰炸机对斯大林格勒进行疯狂轰炸。
1942年10月，德军包围斯大林格勒。当外围缩小包围圈时，苏军士兵进行了顽强抵抗。
1942年11月23日，斯大林格勒战役正在激烈进行，德军在硝烟中穿过遍布瓦砾的街区。
守卫斯大林格勒的苏军，把每一条街道、每一幢房屋都变成阻击敌人的碉堡，与德军展开激烈的巷战。
朱可夫将军在斯大林格勒亲临第一线指挥，正在一幢残破的建筑物里观察附近的战况。
衣衫褴褛的意大利第八军团官兵，正从冰雪覆盖的草原上溃逃，以摆脱苏军的追击。
德军元帅鲍卢斯（左）并未服从希特199勒“死守阵地”的命令，在受到严寒困扰、许多士兵冻饿而死的情况下，亲率残部向苏军投降。
美国总统罗斯福高度评价斯大林格勒会战的胜利，认为“这是这次大战中各国人民联合抵抗纳粹主义及其追随者最为壮丽的篇章之一”。英国首相丘吉尔代表英王和英国人民，亲自到德黑兰苏联大使馆出席向斯大林赠送“斯大林格勒之剑”的仪式，表示对斯大林格勒保卫者的敬意。图中持剑人右边前排依次为丘吉尔、艾登、伏罗希洛夫、斯大林。
