莫斯科會戰(zhàn)以后，希特勒被迫放棄全面進(jìn)攻的計劃。1942年夏集結(jié)重兵于蘇德戰(zhàn)場南部，向高加索和斯大林格勒實施重點進(jìn)攻，企圖攫取石油、煤、糧食等重要經(jīng)濟(jì)資源，切斷伏爾加河水運(yùn)干線，進(jìn)而北取莫斯科。德軍在斯大林格勒方向投入了“B”集團(tuán)軍群，共71個師。蘇軍保衛(wèi)斯大林格勒的是新組建的斯大林格勒方面軍，編成內(nèi)有9個集團(tuán)軍。

7月17日，德軍保盧斯上將的第6集團(tuán)軍首先發(fā)起進(jìn)攻。7月23日、26日，德軍北、南路先后開始進(jìn)攻，8月17日攻占頓河西岸全部地區(qū)，蘇軍退至斯大林格勒外圍組織防御。8月18，保盧斯的部隊已進(jìn)抵該城接近地。

斯大林格勒在危機(jī)中。8月27日，斯大林將在波哥烈洛耶·哥羅迪舍指揮作戰(zhàn)的朱可夫召回莫斯科，告訴他南方形勢很糟，德軍有可能攻占斯大林格勒。斯大林通知他，國防委員會已決定任命他為最高統(tǒng)帥部副統(tǒng)帥，并派他到斯大林格勒。8月29日中午，朱可夫到達(dá)小伊凡諾夫，與斯大林格勒方面軍領(lǐng)導(dǎo)一起研究和制定了當(dāng)前的防御和以后的反攻計劃。9月12日，蘇軍全部退守市區(qū)圍廓，外圍防御地帶喪失殆盡，戰(zhàn)線離市區(qū)只有2至10公里。9月13日，德軍突入市區(qū)。蘇軍與德軍展開逐街逐房的戰(zhàn)斗，德軍每前進(jìn)一步都付出了慘重的代價。蘇軍浴血苦戰(zhàn)，死不棄城。

這時，朱可夫和參謀長華西列夫斯基大將向最高統(tǒng)帥部提出一個反攻計劃，主張將德軍的進(jìn)攻集團(tuán)緊緊地鉗制在斯大林格勒城下，在其兩翼實施強(qiáng)大突擊，建立起對德軍斯大林格勒集團(tuán)合圍的對內(nèi)正面，和保障消滅被圍集團(tuán)的對外正面。計劃代號為“天王星”。此后的兩個月，朱可夫極度緊張，親自抓“天王星”作戰(zhàn)的準(zhǔn)備工作，同時參與保衛(wèi)斯大林格勒的指揮工作。9月末，斯大林格勒方面軍改稱為頓河方面軍，朱可夫推薦羅科索夫斯基中將接替瓦里西·尼古拉耶維奇·戈爾多夫中將任司令員。

1942年11月13日，蘇軍最高統(tǒng)帥部批準(zhǔn)實施“天王星”計劃。

反攻計劃。蘇軍西南方面軍和頓河方面軍從謝拉菲莫維奇和克列茨卡亞一線，斯大林格勒方面軍(新組編)從薩爾平斯耶湖一帶先后發(fā)起進(jìn)攻，于1942年11月23日在卡拉奇以東的蘇維埃村會師，合圍了德軍第6集團(tuán)軍全部和坦克第4集團(tuán)軍部分兵力共22個師，約33萬人。希特勒為解救被圍德軍，臨時組成了科捷利尼科夫斯基和托爾莫辛兩個突擊集團(tuán)，企圖從西南方向打開一條通路，未獲成功。1943年1月10日，蘇軍對被圍德軍發(fā)起總攻。1月25日，蘇軍進(jìn)攻部隊沖進(jìn)市區(qū)，與堅守城區(qū)的蘇軍會師。2月2日，被圍德軍全部被殲。斯大林格勒會戰(zhàn)以蘇軍的輝煌勝利而告結(jié)束。這場戰(zhàn)役使人們稱他為“斯大林在二戰(zhàn)戰(zhàn)場上的救火英雄”。