莫斯科會戰以后，希特勒被迫放棄全面進攻的計劃。1942年夏集結重兵于蘇德戰場南部，向高加索和斯大林格勒實施重點進攻，企圖攫取石油、煤、糧食等重要經濟資源，切斷伏爾加河水運干線，進而北取莫斯科。德軍在斯大林格勒方向投入了“B”集團軍群，共71個師。蘇軍保衛斯大林格勒的是新組建的斯大林格勒方面軍，編成內有9個集團軍。

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

斯大林格勒在危機中。8月27日，斯大林將在波哥烈洛耶·哥羅迪舍指揮作戰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帥部副統帥，并派他到斯大林格勒。8月29日中午，朱可夫到達小伊凡諾夫，與斯大林格勒方面軍領導一起研究和制定了當前的防御和以后的反攻計劃。9月12日，蘇軍全部退守市區圍廓，外圍防御地帶喪失殆盡，戰線離市區只有2至10公里。9月13日，德軍突入市區。蘇軍與德軍展開逐街逐房的戰斗，德軍每前進一步都付出了慘重的代價。蘇軍浴血苦戰，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帥部提出一個反攻計劃，主張將德軍的進攻集團緊緊地鉗制在斯大林格勒城下，在其兩翼實施強大突擊，建立起對德軍斯大林格勒集團合圍的對內正面，和保障消滅被圍集團的對外正面。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”作戰的準備工作，同時參與保衛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，蘇軍最高統帥部批準實施“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起進攻，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集團軍全部和坦克第4集團軍部分兵力共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，企圖從西南方向打開一條通路，未獲成功。1943年1月10日，蘇軍對被圍德軍發起總攻。1月25日，蘇軍進攻部隊沖進市區，與堅守城區的蘇軍會師。2月2日，被圍德軍全部被殲。斯大林格勒會戰以蘇軍的輝煌勝利而告結束。這場戰役使人們稱他為“斯大林在二戰戰場上的救火英雄”。