战争进行到11月中旬，德军陷入了进退两难的困境。由于德军伤亡过重，苏军在兵力和武器装备上开始超过德军。在这种形势下，苏联最高统帅部决定1942年11月19日拂晓开始大反攻，向德军阵地发起攻击，形成了对斯大林格勒城下德军第六集团军的包围。
双方投入及伤亡力量史无前例。德军共投入101万人，10,250门火炮，675辆坦克，732架飞机。苏军则为110多万人，15,501门火炮，1,463辆坦克，1,115架飞机，军事力量投入上超过德国。这场惨烈的战争直到1943年2月2日正式结束，历时199天。由于战役规模太大，伤亡者人数始终无法得到准确统计，一名德军士兵指出他们一天损失约2,000名士兵。
斯大林格勒战役保卫战中，苏军共伤亡113万。而纳粹德国方面，西方国家估计纳粹共有75万人死亡或受伤，9万人被俘，占其在苏德战场作战总兵力的1/4。斯大林格勒战役直接造成了苏联与德国力量对比的根本变化，不仅成为苏德战争的转折点，也是第二次世界大战东部战线的转折点，单从伤亡数字来看，该战役是近代历史上最为血腥的战役。为了纪念斯大林格勒战役中可歌可泣的英雄事迹，这座城市在1945年被命名为“英雄城”。
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