A Volga jobb partján álló, tizenhatodik században már biztosan létező Caricin városa 1925-ben vette fel a szovjet vezető, Joszif Visszarionovics Sztálin nevét: a legenda szerint az akkoriban itt tevékenykedő későbbi pártfőtitkárnak Vorosilov marsallal együtt kulcsszerepe volt abban, hogy felmentették a várost az orosz polgárháború idején, 1920 januárjában. A névváltásnak pedig talán abban volt kulcsszerepe, hogy ez a város lett a helyszíne a második világháború – egyben a huszadik század és az addigi történelem – egyik legvéresebb, legelkeseredettebb csatájának. Bár Hitler a már említett beszédében még úgy fogalmaz: nem azért erre irányult az 1942 nyarán indított német offenzíva egyik fő csapása, mert a város Sztálin nevét viseli. „Ezt teljes mértékben érdektelen számunkra” – hangsúlyozta a Führer.
A Kelet-Ukrajnából induló, Blau kódnevet viselő hadművelet fő célja ugyanis az volt, hogy a német hadsereg elfoglalja a Kaukázust, és így rátegye a kezét az itt található gazdag olajmezőkre. A terv elfogadását erősítette, hogy a szövetségesek inkább egy Moszkva felé irányuló támadásra számítottak; a német gazdaságnak pedig szüksége volt az olajra. A fő csapásirányoktól kissé félreeső, de közlekedési csomópontnak számító Volga menti iparváros, Sztálingrád körülzárása is szóba került: a folyó lezárásával egy csapásra elvághatták a Szovjetunió belső területeit a Kaukázustól és a Kaszpi-tengertől, áttételesen pedig az iráni korridoron keresztül érkező amerikai hadianyagtól is. A némi késlekedés után június 28-án meginduló hadművelet során végül Hitler személyes közbenjárására az eredeti terveket felülírva július 13-án két részre osztották a Dél Hadseregcsoportot, amelynek B csoportja Maximilian von Weichs tábornok irányításával a Volga és Sztálingrád felé indult – immár azzal a céllal, hogy elfoglalják a várost.
A Blau hadművelet jól indult: júliusban és augusztusban a németek 625 ezer foglyot ejtettek, hétezer tankot, hatszáz tüzérségi eszközt és négyszáz repülőgépet szereztek vagy semmisítettek meg, és hatalmas területeket foglaltak el, bár a déli szovjet erőkre azok visszavonulása miatt nem tudtak döntő csapást mérni. Augusztus 21-én náci zászló lengett az Elbrusz hegyen, a Kaukázus legmagasabb csúcsán, Baku pedig már elérhető távolságba került az A sereg számára. Az eredeti terv felülírása és a hadsereg két részre osztása azonban hosszú távon megpecsételte a hadművelet sorsát: időt engedett a szovjeteknek arra, hogy felkészüljenek az ellenállásra Sztálingrádban, miközben elvonta a megfelelő erőt attól, hogy bármelyik kitűzött célt teljesítsék. A B hadseregcsoport a város körüli komoly küzdelmek után augusztus 23-án érkezett meg Sztálingrád elővárosaiba, kétfelől körülzárva azt: innentől csak a Volgán keresztül érkezhetett a szovjet erősítés.
Sztálingrád ekkorra már másfél hónapja készült a totális háborúra. Elkezdtek csapatokat irányítani a környékre, még Szibériából is érkeztek katonák; az erődítésekben és a harcokban is nagy számban vettek részt nők. Július 28-án Sztálin kiadta hírhedt, 227-es sorszámú rendeletét. „Néhány ostoba ember a fronton azzal nyugtatja magát, hogy visszavonulhatunk kelet felé: sok területünk, sok földünk, sok emberünk van, és mindig lesz nekünk elég kenyér. Ezzel csak a fronton mutatott becstelen magatartásukat akarják igazolni. Ez a beszéd hamis beszéd, és csak az ellenségeinknek használ” – szögezi le a parancs, majd kifejti, hogy az „Anyaföld” miért nem veszíthet több területet. „Itt az ideje megállítani a visszavonulást. Egy lépést sem hátrébb! Ennek kell lennie az új fő jelszavunknak” – jelenti ki a parancs.
Az ennek érdekében foganatosítandó lépések drákói szigort vezettek be a fronton. Aki engedély nélkül visszavonulást rendel el, az hadbíróság elé állítandó. Büntetőszázadokat kell felállítani, ahová a gyávaságot tanúsítókat áthelyezik; ezeket az egységeket aztán ott vetik be, ahol a biztos halál vár rájuk. A rémhírterjesztőket helyben agyon kell lőni. Minden hadseregben létre kell hozni olyan jól felfegyverzett egységeket, amelyeket a bizonytalanságot mutató egységek mögé kell helyezni. Feladatuk, hogy a visszavonulókra tüzet nyissanak. A német győzelmekről is őszintén valló parancsot nem hozták nyilvánosságra a lakosság számára, de a Vörös Hadsereg minden egységének felolvasták. A kivételesen szigorú, tulajdonképpen halálos csapdát létrehozó rendelkezéseket a visszaemlékezések szerint sokan inspirálónak találták, egy történész Churchill beszédéhez – „vért, erőfeszítést, verítéket és könnyeket” – hasonlította a hatását. A terror szerepéről azóta is nagy vita van a csatával foglalkozó történészek között.
A városból ezzel párhuzamosan nem evakuálták a civileket, viszont az itt tárolt gabonát, haszonállatokat és vasúti kocsikat átszállították a Volga túlpartjára. A német repülők júliusi megérkezésekor így négyszázezer civil volt a városban, miközben már akkor sem volt elegendő élelem. A Luftwaffe gépei rendkívül veszélyessé tették a volgai utánpótlást: július végén többtucatnyi szovjet hajót süllyesztettek el vagy tettek működésképtelenné. A német csapatok megérkezésekor, augusztus 23-án a Luftwaffe bombázása óriási tűzvészt okozott a városban, ezreket megölve füstölgő romhalmazzá változtatta az épületek jelentős részét. A városba történő szeptember eleji visszavonuláskor a Sztálingrádot védő szovjet hatvankettedik hadsereg csupán kilencven tankkal, hétszáz ágyúval és húszezer emberrel rendelkezett.
A városi környezet nem kedvezett a több fegyvernem szoros együttműködésére alapozó német katonai doktrínának. Heves harcok kezdődtek különböző stratégiai pontokon: a vasútállomáson, a gabonasilónál, a város fölé magasodó Mamajev-kurgánnál, illetve az északi gyárnegyedben, ahol annak ellenére folyt tovább például a rögtön a frontra küldött tankok gyártása, hogy a németek folyamatos nyomás alatt tartották a területet. Ezek a stratégiai pontok gyakran váltottak gazdát. A szovjetek minden arra alkalmas épületet többszintű erőddé alakítottak át, és ha elvesztettek egyet, rögtön megkísérelték friss csapatokkal visszafoglalni. Végső soron öldöklő városi harc kezdődött: házról házra, utcáról utcára, szobáról szobára folyt a németek által „patkányháborúnak” nevezett küzdelem.
Talán a leghíresebb ilyen erődítmény a „Pavlov-ház” volt: a parancsnokáról elnevezett épületet aknamezővel vették körül; szögesdrót akadályt és géppuskafészkeket telepítettek; végül lövészárkokkal kötötték össze a Volgával a területet, hogy be tudják juttatni az ellátmányt. Ide huszonöt katona vette be magát. A Pavlov-házat szeptember végétől november végéig naponta próbálták elfoglalni a németek, sikertelenül; ekkor a szovjet csapatoknak sikerült felmenteniük. Az ilyen és hasonló erődítmények felszámolása miatt a front szárnyait biztosító magyar, olasz és román hadseregnek alig jutott ellátmány és erősítés.
A németek novemberre lassan előrehaladva, a Volgát elérve Sztálingrád jelentős részét elfoglalták, elvágva egymástól a védők nagyobb csoportjait, s a szovjetek már csak egy szűk part menti sávot tartottak. Azonban a szárnyak gyengesége kezére játszott a Vörös Hadseregnek, és Zsukov marsall vezetésével november 19-én végül megkezdték az ellentámadást. Az Uránusz hadműveletben részt vevő hadosztályok északról és délről támadtak a Sztálingrádot ostromló német hadsereg szárnyaira: az átkaroló két csoport négy nap múlva Kalacsnál találkozott. A támadás teljesen felkészületlenül érte a németeket. Sztálingrádot körülzárták; háromszázezer katona rekedt a katlanban, bár ekkor még lett volna esély a kitörésre.
Hitler azonban másképp döntött; talán fejben tartotta szeptemberi ígéretét. Erich von Manstein tábornok azt írta a Führernek, hogy át tud törni a gyorsan kiépülő szovjet kettős gyűrűn; a Luftwaffe parancsnoka, Hermann Göring pedig arról biztosította, hogy légihídon keresztül addig is el tudják látni a Paulus tábornok parancsnoksága alatt álló, körülzárt hatodik hadsereget. A Luftwaffe valójában képtelen volt a szükséges utánpótlás bejuttatására. A következő időszakban pedig egymás után veszítették el a közeli légi bázisokat, miközben Von Manstein kísérlete az áttörésre sikertelennek bizonyult. A két katonai vezető és Hitler hibás helyzetértékelése megpecsételte Paulusék sorsát.
A katonák éheztek és a fáztak, a felmentésre pedig a folyamatosan előretörő szovjetek esélyt sem adtak. Innentől kezdve már csak az volt a cél, hogy a körülzárt erők a Vörös Hadsereg minél több alakulatát kössék le, hogy a Kaukázusból visszavonuló csapatoknak könnyebb dolguk legyen. Januárban fokozatosan elvesztették mind a három városi repülőterüket, így több német gép már nem tudott le- és felszállni. Ez többek között a városban rekedt sebesülteknek volt katasztrofális. A folyamatosan visszaszoruló németeket végül fokozatosan elvágták egymástól, és január 31-én Paulus Hitler határozott parancsa ellenére megadta magát. Február másodikán az utolsó német alakulatok is kapituláltak, Sztálingrád ostroma véget ért.
Tíz- és hatvanezer közé teszik a túlélő városi civilek számát; a németek, akik letették a fegyvert, 91 ezren voltak, és közülük csak ötezren tértek haza később élve a munkatáborokból. Paulust Moszkvába vitték, ahol több náciellenes kiáltványt is szignózott. A katonai áldozatokról nehéz pontos összesítést készíteni. A német oldalon a velük szövetséges magyar, román, olasz és az idecsapódó szovjet csapatokat is beleértve több mint hétszáz-nyolcszáz ezer ember halt meg, sebesült meg vagy esett fogságba, míg ugyanez a szám a szovjet oldalon egymillió fölötti. Sztálingrád gyakorlatilag megsemmisült: a városból csupán füstölgő romhalmazok maradtak.
Ez volt az első nagy vereség, amelyet a németek nyilvánosan elismertek. A hír mind a hadsereget, mind a lakosságot súlyosan megviselte. Hitler hatalomra kerülésének tizedik évfordulóján nem tartott beszédet, Goebbels pedig február 18-án gyújtó hangú szónoklatban totális háborúra szólította fel a német népet. A német oldalról hibás stratégiai és taktikai döntések sorát felvonultató sztálingrádi csata a kortárs sajtóban fordulópontként jelent meg, és hetvenöt év távlatából is nehéz máshogyan értékelni. Bár nem jelenthető ki egyértelműen, hogy a náci Németország itt veszítette el a második világháborút, az biztos, hogy innentől kezdve megfordult a hadiszerencse: a keleti fronton a szovjetek vették át a kezdeményező szerepet, Németország pedig védekezett, majd a hamarosan kétfrontossá váló európai háborúban teljesen elvérzett.
