于是，1943年1月8日，3名苏军青年军官带着一面白旗，进入斯大林格勒北部的德军防线，把苏顿河方面军前线司令罗科索夫斯基将军的一份最后通牒送交保卢斯将军。最后通牒提醒保卢斯，他的部队已被切断，解救无望，空中接济也不能保持了，然后说道：
“你军已陷入绝境。你们饥寒交迫，疾病丛生。而苏联的寒冬还只刚刚开始。严霜、寒流、暴风雪还在后头。你的士兵缺少冬衣，卫生条件又差到极点……你们的处境暗淡无光，继续抵抗下去实在毫无意义。”
“有鉴于此，并为了避免无谓的流血牺牲，兹建议你们接受下列投降条件……”
这些条件是体面的。所有被俘人员一概发给“通常标准的口粮”。伤病员和冻伤人员将得到医治。所有被俘人员可以保留他们的军衔领章、勋章和个人财物。通牒要求保卢斯于24小时之内答复。
保卢斯立即将最后通牒的全文以电报形式发给希特勒，并要求批准第6集团军向苏军投降。希特勒立即驳回了他的请求。苏军要求投降的期满之后，又过了24个小时，即1月10日晨，苏军以5000门火炮对德军狂轰猛炸。经过猛烈的炮火准备后，顿河方面军部队转入旨在分割并各个歼灭被围敌军的进攻，但未能获得全胜。
这一仗打得激烈而残酷。在瓦砾成堆、遍地冰冻的城内废墟上，双方都以令人难以置信的英勇，不顾一切地战斗。但是战斗并没有持续多久。6天之中，德军的袋形阵地已缩小了一半，只剩下15英里长、9英里宽的一块地方。
1月22日，顿河方面军部队经过进一步准备后再次转入进攻。敌人经不住这次突击，开始后退。会战中托尔布欣将军指挥的第57集团军和扎多夫将军指挥的第66集团军取得的战果最好。
1月24日，德军保卢斯第6集团军本来就已十分可怜的阵地又被苏军一劈为二，最后一条小型的临时跑道也失去了。过去，德军飞机还运来些供应品，特别是治疗伤病员的药品，并运走了2900名伤病员，现在飞机再也不能降落了。
在这种情况下，苏军再次给保卢斯所属部队一次投降的机会。1月24日，苏联的使者带着一份新的建议来到德军阵地。保卢斯又一次感到左右为难，并再次发电报向希特勒请示：
“部队已弹尽粮绝……已无法进行有效的指挥……伤员1.8万人，无衣无食，也无药品绷带……继续抵抗下去已毫无意义。崩溃在所难免。部队请求立即准予投降，以挽救残部生命。”
但是，希特勒的答复一如既往：“不许投降。第6集团军必须死守阵地，直至最后一兵一卒一枪一弹。”
实际上，继续抵抗不仅毫无意义、毫无用处，而且是根本办不到的事。第6集团军被迫开始全线退却……退却变成了逃跑……乱作一团……路上布满尸体，并很快被白雪所覆盖……整个部队开始无命令地退却，势不可挡，因为他们在和死亡赛跑，稍慢一点儿，死神便会轻易地追上他们，捉住他们……队伍里一批批人死去，集团军缩在越来越小的地狱里。
1月28日，德军第6集团军这样一支曾经煊赫一时的军队的残兵余卒被分割在3小块袋形阵地之中，保卢斯将军的司令部在南面的一块，他坐在黑暗角落里的行军床上，样子颓丧至极。
第6集团军的“光荣”和可怕的痛苦都快要结束了。1月30日，保卢斯电告希特勒：“最后崩溃不出24小时之内。”
希特勒得到这个信息后，赶紧对斯大林格勒的那些面临死亡的军官们封官晋爵，显然希望这种“恩典”能加强他们顽强到底的决心。希特勒对约德尔说，“在德国历史上，还从来没有一个陆军元帅被生俘的”，随即给保卢斯发去一封电报，授予他元帅节杖。117名军官也都升一级。这真是骷髅卖俏的把戏！
1月31日晚，保卢斯向德军统帅部发出最后一份电报：
“第6集团军……已打到最后一兵一卒一枪一弹。”
同日7点45分，第6集团军司令部的发报员自己决定发出了最后一封电报：“苏联人已经到了我们地下室的门口。我们正在捣毁器材。”最后写上“ＣＬ”——这是国际无线电码，表示“本台停止发报”。
实际上，在第6集团军司令部并未发生最后一分钟的战斗。保卢斯和他的司令部并没有坚持到最后一兵一卒。总司令的地下室的黑黝黝的洞口，由一名苏军下级军官率领一班士兵窥看。苏军士兵叫黑洞中的德军军官投降，第6集团军的参谋长施密特将军接受了投降的要求。保卢斯瘫软无力地坐在行军床上。施密特问保卢斯：
“请问陆军元帅，还有什么话要说吗？”
此时此刻，曾不可一世的保卢斯竟连吭一声的力气都没有了。
1月31日，苏军最后粉碎了德军的南部集团。德军的南部集团残部，包括第6集团军司令官保卢斯元帅在内，无一例外地统统投降了。2月2日，北部集团的残部亦投降。至此，苏军彻底完成了伏尔加河畔的最大的会战，由德军及其仆从军所组成的最大的军队集团彻底遭到覆灭。
9.1万名德军，其中包括24名将军，正在冰雪途中一步一拐地走向寒冷凄凉的西伯利亚战俘营。这批战俘都是饥肠辘辘，身患冻伤，大部分还负了弹伤，人人迷茫颓丧。他们抓紧了裹在头上的满是血污的毛毯，以抵御摄氏零下24度的严寒。两个月前，这支远征部队共28.5万人，现在除了2万名左右罗马尼亚部队和2000名伤员已空运回国外，残存者还就是这么多了。其余人员已全部战死，成为希特勒的牺牲品。
此时此刻，希特勒正在东普鲁士的暖气烧得热乎乎的大本营里责骂其进攻斯大林格勒的将领不懂得如何和何时杀身成仁。其实，该对这次惨重失败负责的正是希特勒自己的固执和愚蠢。2月1日，希特勒和他的将领们在最高统帅部举行会议。会议里，希特勒像一头发疯的狮子，不断责骂在斯大林格勒被俘的保卢斯：
“他们已经在那儿投降了——正正式式、完完全全地投降了。他们本来应该团结一致，负隅顽抗，然后用最后一粒子弹自尽……那个人应该举枪自杀，正像历来的司令官眼看大势已去便拔剑自刎一样……”希特勒越说越对保卢斯恨之入骨。
希特勒还与蔡茨勒将军就如何向德国民众公布投降消息的问题，简单地交换了一下意见。2月3日，即保卢斯等投降后的第三天，德国最高统帅部发布了一项特别公报：
“斯大林格勒战役已经结束。第6集团军在保卢斯元帅的卓越领导下，忠实地履行了他们战斗到最后一息的誓言，终为优势的敌人和不利于我军的条件所压倒。”
斯大林格勒的会战极其激烈，只有莫斯科会战可与之相提并论。斯大林格勒会战反攻过程中，苏军共歼灭德军第6集团军、第4装甲集团军、罗马尼亚第3、第4集团军和意大利第8集团军。德军共损失32个师和3个旅，另外还有16个师伤亡50％~75％，损失人员80余万、坦克和强击火炮近2000辆、火炮和迫击炮1万余门，作战和运输飞机3000多架，以及汽车7万多辆。苏军把德军从伏尔加河和顿河击退几百公里。斯大林格勒战役是德国军队所曾遭到的最大的一次失败。敌人在顿河、伏尔加河、斯大林格勒地域总共损失了约150万人，占其当时在苏德战场作战总兵力的1/14，还有3500辆坦克和强击火炮，1.2万门火炮和迫击炮，约3000架飞机及大量的其他技术兵器。这些实力兵器的损失对***德国的整个战略地位产生了极大的消极影响并彻底动摇了它的整个战争机器。
在200个日日夜夜的斯大林格勒会战中，苏联军民充分表现了大无畏的英雄气概，进行艰苦卓绝的顽强作战，计损失113万人，终于赢得了辉煌的胜利。
斯大林格勒会战结束后，从南到北向苏军各个方向的反击作战也频频告捷。列宁格勒、顿河流域、北高加索等地的德军先后败退。
苏联军民斯大林格勒保卫战的胜利，具有重大而深远的政治和军事意义。首先，斯大林格勒会战使德军遭到沉重打击，元气大伤，粉碎了希特勒灭亡苏联、进而称霸世界的狂妄企图，改变了苏德战场的战略形势，是苏联卫国战争的重大转折点，也是欧洲战争乃至整个第二次世界大战的一个重要转折点。苏军从此牢牢地掌握了战略主动权，苏德战争的进程开始发生根本转折。
第二，苏联军民斯大林格勒保卫战的胜利，引发了***集团内部的深刻政治危机和军事危机。而对第二次世界大战爆发以来德军在苏德战场的空前失败，德军士气一落千丈，在德军内部甚至在部分希特勒将领中，对打赢战争的信心产生严重动摇。在希特勒大本营里，怨声四起，一些**将军还暗中策划了推翻希特勒的政变。德国与其伙伴和仆从国的关系显着恶化，这些国家的离心倾向日趋明显，不愿再听命于德国。斯大林格勒会战后，尽管希特勒一再坚持要求增加苏德战场的力量，但仆从国不愿再做出更多的承诺。日本在斯大林格勒会战后，也向德国表示，无法参加对苏作战。意大利、匈牙利和罗马尼亚军队在斯大林格勒的覆灭，使这些国家的执政者对希特勒的信心产生严重动摇，他们开始寻求退出战争的方法和道路。1943年3月26日，墨索里尼在给希特勒的信中，建议同苏联单独媾和。一些中立国家对德国也越来越持慎重态度。1943年，同德国保持外交关系的国家，从苏德战争前夕的40多个减少至22个。此外还有不少国家正在酝酿与德国断绝关系。第三，苏联军民斯大林格勒保卫战的胜利，极大地提高了苏联的国际地位，扩大了社会主义制度的影响，巩固和扩大了国际反***统一战线，进一步坚定了世界人民共同打败***集团的信心，促进了世界反***斗争的新高潮。1942年至1943年，苏联同澳大利亚、古巴、埃及、哥伦比亚、埃塞俄比亚等许多国家建立了外交关系，连同卢森堡、墨西哥和乌拉圭先后恢复了外交关系。美英国家的政治家，看到苏联展示出来的强大威力及其战略、战术的明显提高，开始认真考虑和研究在欧洲开辟第二战场的问题。苏联军民斯大林格勒保卫战的胜利，促进了在反***同盟国团结合作道路上具有重要意义的苏美英三国首脑第一次会议——德黑兰会议的召开。