В соответствии с планом, утвержденным 13 ноября, главный удар наносился войсками Юго-Западного и Сталинградского фронтов. Сходящимися мощными ударами намечалось окружить основные силы 6 полевой армии Паулюса и 4 танковой армии Гота в междуречье Волги и Дона.

Донской фронт наносил два удара: из района Клетской на юго-восток и из района Качалинской вдоль левого берега Дона на юг. С воздуха наступление сухопутных войск поддерживали самолёты трёх воздушных армий: 8, 16 и 17. Кроме того, Юго-Западному фронту оперативно подчинялась часть сил 2 ВА Воронежского фронта, 17 ВА была усилена 1 сак, 8 ВА - 2 сак.

19 ноября началось наступление войск Юго-Западного и Донского фронтов. На следующий день к ним присоединились войска Сталинградского фронта.

23 ноября в 16.00 части 4 танкового корпуса Юго-Западного и 4 мехкорпуса Сталинградского фронтов соединились в районе Калач - хутор Советский. 13 мехкорпус и части 57 и 64 армий Сталинградского фронта вышли на рубежи реки Червлёная, перекрыв пути отхода противнику на юг. Войска Юго-Западного фронта отрезали путь на запад. В окружении оказались 22 немецкие дивизии (330 тысяч солдат и офицеров).

Для обеспечения окруженных войск боеприпасами, горючим и продовольствием германское командование стало налаживать переброску грузов при помощи транспортной и бомбардировочной авиации. С этой целью в спешном порядке были подготовлены основные базы снабжения на аэродромах Тацинская и Морозовск. В качестве вспомогательных использовались аэродромы Чернышевский, Котельниково, Зимовники и Сальск. Внутри кольца для приема грузов использовались аэродромы Б.Россошка, Басаргино, Питомник, Гумрак и Воропоново. В этот район были направлены 406 и 700 группы транспортной авиации, 3 авиагруппа особого назначения. Для переброски грузов привлечены 55 и 57 бомбардировочные эскадры. Позже кним присоединилась часть сил 4, 6 и 27 бомбардировочных эскадр. Массовый полёт (группами по 20-40 самолётов) в район Сталинграда начался 23-25 ноября. К концу месяца интенсивность полётов достигда 150 самолето-пролетов ежедневно.

На борьбу с немецкими транспортными самолётами командование советской авиации бросило крупные силы: от 8 ВА - все полки 201 и 235 иад, 214 шад, сводную группу из экипажей 206, шад, 218, 268, 296 иад, 25 гв. и 596 нбап; от 16 ВА - 220 и 283 иад, 228 шад; от ПВО - 102 иад. Штурмовая авиация наносила удары по немецким аэродромам днем, бомбардировщики У-2 - ночью. Истребительной авиации была поставлена задача приурывать действия штурмовиков и уничтожать самолёты противника в воздухе. Кроме истребителей, транспортные самолёты сбивали и штурмовики. В результате в период с 24 ноября 1942 года по 31 января 1943 года противник в районе Сталинграда потерял 1057 транспортных и бомбардировочных самолётов (467 - в воздухе).

12 декабря группа армий «Дон» (вновь созданная немецкая 4 танковая армия и 4 румынская армия) под командованием генерал-фельдмаршала Манштейна начала наступление из района Котельниково в полосе войск 51 армии генерала Ф.И.Толбухина. Ослабленные в ходе ноябрьского контрнаступления советские войска не смогли сдержать натиск противника. Фронт был прорван и уже через 3 дня основные силы немцев сходу форсировали реку Аксай. Части 51 А отошли за реку Мышкова (40 км от Сталинграда). Возникла угроза соединения танковых и моторизованных частей Манштейна с окруженной группировкой Паулюса.