Донской фронт был образован 30 сентября 1942 г. В его состав вошли: 1-я гвардейская, 21-я, 24-я, 63-я и 66-я армии, 4-я танковая армия, 16-я воздушная армия.
Приняв командование, Рокоссовский застал новообразованный фронт в наступлении — выполняя приказ Ставки, 30 сентября в 5:00, после артподготовки, перешли в наступление части 1-й гвардейской, 24-й и 65-й армий.
Два дня шли тяжёлые бои. Но, как отмечается в документе ЦАМО — части армий продвижений не имели, и более того — в результате контратак немцев были оставлены несколько высот. К 2 октября наступление выдохлось.
Но тут из резерва Ставки Донской фронт получает 7 полностью укомплектованных стрелковых дивизий (277, 62, 252, 212, 262, 331, 293 сд). Командование Донского фронта решает использовать свежие силы для нового наступления. 4 октября Рокоссовский поручает разработать план наступательной операции, и 6 октября план был готов. Срок операции был назначен на 10 октября. Но к этому времени происходят несколько событий.
5 октября 1942 г. Сталин в разговоре по телефону с А. И. Ерёменко резко критикует руководство Сталинградского фронта и требует принять немедленные меры к стабилизации фронта и последующего разгрома противника.
6 октября Ерёменко делает доклад Сталину, в котором предлагает провести операцию по окружению и уничтожению немецких частей под Сталинградом. Там впервые предлагается провести окружение 6-й армии фланговыми ударами по румынским частям, и после прорыва фронтов соединиться в районе Калача-на-Дону.
Ставка рассмотрела план А. И. Ерёменко, но тогда посчитала его невыполнимым (слишком большая глубина операции и т. д.). Однако сама идея контрнаступления обсуждалась Сталиным, Жуковым и Василевским ещё 12 сентября, и уже к 13 сентября Сталину были представлены черновые намётки плана, предполагавшего создание Донского фронта.
В итоге Ставка предложила следующий вариант окружения и разгрома немецких войск под Сталинградом: Донскому фронту предлагалось нанести главный удар в направлении Котлубань, прорвать фронт и выйти в район Гумрак. Одновременно с этим Сталинградский фронт ведет наступление из района Горная Поляна на Ельшанку, и после прорыва фронта части выдвигаются в район Гумрак, где соединяются с частями Донского фронта.
В этой операции командованию фронтами разрешалось использовать свежие части: Донскому фронту — 7 стрелковых дивизий (277, 62, 252, 212, 262, 331, 293), Сталинградскому фронту — 7-й стрелковый корпус, 4-й кавалерийский корпус). 7 октября вышла директива генштаба № 170644 о проведении наступательной операции двумя фронтами по окружению 6-й армии, начало операции назначено на 20 октября.
Таким образом, планировалось окружить и уничтожить только немецкие войска, ведущие боевые действия непосредственно в Сталинграде (14-й танковый корпус, 51-й и 4-й пехотные корпуса, всего около 12 дивизий).
Командование Донского фронта оказалось недовольно этой директивой. 9 октября Рокоссовский предоставил свой план наступательной операции. Он сослался на невозможность прорыва фронта в районе Котлубань. По его расчётам — для прорыва требовалось 4 дивизии, для развития прорыва — 3 дивизии и ещё 3 для прикрытия от ударов противника; таким образом, семи свежих дивизий было явно недостаточно. Рокоссовский предложил главный удар нанести в районе Кузьмичи (высота 139,7), то есть все по той же старой схеме: окружить части 14-го танкового корпуса, соединиться с 62-й армией и только после этого двигаться к Гумраку на соединение с частями 64-й армии. На это штаб Донского фронта планировал 4 дня: с 20 по 24 октября. «Орловский выступ» немцев не давал покоя Рокоссовскому ещё с 23 августа, поэтому он принял решение сначала разобраться с этой «мозолью», а после этого завершить полное окружение противника.
Ставка не приняла предложение Рокоссовского и рекомендовала ему подготовить операцию по плану Ставки; однако ему было разрешено провести частную операцию против орловской группировки немцев 10 октября, не привлекая свежих сил.
9 октября части 1-й гвардейской армии, а также 24-й и 66-й армий начали наступление в направлении Орловки. Наступающую группировку поддерживали 42 штурмовика Ил-2, под прикрытием 50 истребителей 16-й воздушной армии. Первый день наступления закончился безрезультатно. 1-я гвардейская армия (298, 258, 207 сд) продвижения не имела, а 24-я армия продвинулась на 300 метров. 299 сд (66-й армии), наступающая на высоту 127,7, понеся большие потери, продвижений не имела. 10 октября попытки наступления продолжались, но к вечеру окончательно ослабли и прекратились. Очередная «операция по ликвидации Орловской группировки» провалилась. В результате этого наступления из-за понесённых потерь была расформирована 1-я гвардейская армия. Передав оставшиеся части 24-й армии, управление было выведено в резерв Ставки.
Во время подготовки контрнаступления под Сталинградом возникли сложные погодные условия, грозившие серьёзными осложнениями для механизированных частей РККА.
2—3 ноября 1942 года в районе Сталинграда началось резкое похолодание. Днём 6 ноября шёл дождь, а в ночь на 7 ноября температура упала до −15 °С морозы держались до весны 1943 года. В этих условиях встала проблема эксплуатации танков, самолётов и другой техники в условиях сильных морозов. Вода, широко применявшаяся для охлаждения двигателей внутреннего сгорания, стала опасной для техники. При замерзании вода разрушала блок цилиндров, что приводило к потере машины на длительное время и дорогостоящему ремонту. В таких условиях наставления по эксплуатации требовали обогревать машину, производя периодический запуск двигателя. В условиях скрытной подготовки наступательной операции периодический запуск тысяч двигателей танков, артиллерийских тягачей, автомобильной и другой техники был критичным и по требованиям скрытности, и по сложности дополнительного обеспечения горюче-смазочными материалами.
В этой ситуации потребовалось срочно доставить в район сосредоточения большое количество антифриза. Особенно трудная ситуация сложилась в полосе 51-й и 57-й армий, которые имели ограниченные линии снабжения.
Необходимое количество антифриза находилось под Москвой. Однако военно-транспортная авиация не имела резервов для решения неожиданно возникшей задачи.
Руководство ВДВ предложило использовать для доставки грузовые планёры. Важным преимуществом планёров перед транспортной авиацией оказалось то, что десантные планёры могли приземлиться, не требуя подготовки специальной ВПП и запасов топлива для обратного полёта, а дешевизна планёра (в сравнении с самолётом) превращала его в одноразовое транспортное средство. После разгрузки деревянные планёры разбирались на топливо.
10 ноября 1942 года полки были подняты по тревоге в соответствии с приказом: «Приготовиться к полету на 1200 км с грузом в 1000 кг на каждом планёре. Первый вылет 12 ноября. Операция секретная».
Условия проведения полётов были сложными. Операция началась поздно вечером 12 ноября в сложных метеоусловиях: низкая облачность, ветер, мороз, снег, ограниченная видимость. Посадка на аэродромы «Энгельс» и «Дубки» производилась ночью. Отрезок маршрута Красный Кут — Житкур отличался малонаселённой местностью с практически полным отсутствием ориентиров. Погодные условия были сложными: короткий световой день, сплошная облачность и слабая видимость. Один из планеристов вспоминал: «Карабкались к Сталинграду „на пузе“. Были моменты — не поймешь, где небо, где земля, и в каком положении я между ними. От усталости через час уже в глазах двоилось. Ниже пояса тело коченеет — кабина-то фанерная, со щелями! — выше пупка весь в горячем поту… Через час такого чертова полета наступило безразличие. Хлопнусь — ну и черт с ним! Но потом взъярился, ощетинился, взял себя в руки: не порадую фрицев, не огорчу маму, долечу!». Весь перелёт занимал 8—9 часов лётного времени.
На протяжении маршрута участники операции обеспечивались прикрытием с воздуха истребителями ПВО Саратова, Энгельса и дежурными звеньями Качинского лётного училища. В районе аэродромов Житкур и Жутово ночные истребители противника «МЕ-110» не упускали возможности атаковать тяжело гружённые планёры буксируемые на малой высоте с малой скоростью. При потере самолёта в эфир передавался условный сигнал «32751», если при этом погибал пилот передавался сигнал «55427».
За время операции «Антифриз» было совершено около 60 полётов, в ходе которых было доставлено около 50 тонн антифриза. Потери во время операции составили 3 самолёта-буксировщика и 10 планёров. В результате технической ошибки при посадке разбился лейтенант Рубен Григорьевич Григорьян (2-й уапп).
Пилоты, участвовавшие в операции «Антифриз», были отмечены благодарностью наркома обороны СССР и поощрены месячным окладом, а впоследствии они были награждены медалями «За оборону Сталинграда».
19 ноября 1942 г. началось наступление Красной Армии в рамках операции «Уран».
23 ноября в районе Калача замкнулось кольцо окружения вокруг 6-й армии вермахта. Выполнить план «Уран» полностью не удалось, так как не удалось расчленить 6-ю армию на две части с самого начала (ударом 24-й армии в междуречье Волги и Дона).
Попытки ликвидировать окружённых с ходу в этих условиях также не удались, несмотря на значительное превосходство в силах — сказывалась превосходящая тактическая подготовка немцев. Однако 6-я армия была изолирована и запасы топлива, боеприпасов и продовольствия прогрессивно сокращались, несмотря на попытки снабжения её по воздуху, предпринятые 4-м воздушным флотом под командованием Вольфрама фон Рихтгофена.
Новообразованная вермахтом группа армий «Дон» под командованием фельдмаршала Манштейна предприняла попытку прорыва блокады окружённых войск - операция «Винтергевиттер» (Wintergewitter, Зимняя гроза).
Первоначально её планировалось начать 10 декабря, однако наступательные действия Красной Армии на внешнем фронте окружения вынудили отложить начало операции на 12 декабря. К этой дате немцам удалось представить лишь одно полноценное танковое соединение — 6-ю танковую дивизию Вермахта и (из пехотных соединений) остатки разгромленной 4-й румынской армии. Эти части находились в подчинении управления 4-й танковой армии под командованием Г. Гота. В ходе наступления группировка была усилена весьма потрёпанными 11-й и 17-й танковыми дивизиями и тремя авиаполевыми дивизиями.
К 19 декабря фактически прорвавшие оборонительные порядки советских войск части 4-й танковой армии столкнулись с только что переброшенной из резерва Ставки 2-й гвардейской армией под командованием Р. Я. Малиновского, в состав которой входили два стрелковых и один механизированный корпус.
По замыслу советского командования, после разгрома 6-й армии, силы, занятые в операции «Уран», разворачивались на запад и наступали по направлению к Ростову-на-Дону в рамках операции «Сатурн».
Одновременно с этим южное крыло Воронежского фронта наносило удар по 8-й итальянской армии к северу от Сталинграда и наступало прямо на запад (к Донцу) со вспомогательным ударом на юго-запад (к Ростову-на-Дону), прикрывая северный фланг Юго-Западного фронта в период гипотетического наступления. Однако в связи с неполной реализацией «Урана», «Сатурн» был заменён на «Малый Сатурн».
Войска Сталинградского фронта имели целью отбросить противника на 100—150 км на запад от окружённой 6-й армии и разгромить 8-ю итальянскую армию (Воронежский фронт).
Наступление планировалось начать 10 декабря, однако проблемы, связанные с подвозом новых частей, необходимых для операции (имевшиеся на месте были связаны под Сталинградом), привели к тому, что А. М. Василевский санкционировал (с ведома И. В. Сталина) перенос начала операции на 16 декабря.
16—17 декабря фронт немцев на Чире и на позициях 8-й итальянской армии был прорван, советские танковые корпуса устремились в оперативную глубину.
Манштейн сообщает, что из итальянских дивизий только одна лёгкая и одна- две пехотные дивизии оказали сколько-нибудь серьёзное сопротивление, штаб 1-го румынского корпуса в панике бежал со своего командного пункта.
К исходу 24 декабря советские войска вышли на рубеж Миллерово, Тацинская, Морозовск. За 8 дней боёв подвижные войска фронта продвинулись на 100—200 км. Однако в середине 20-х чисел декабря к группе армий «Дон» стали подходить оперативные резервы (четыре хорошо укомплектованные немецкие танковые дивизии), первоначально предназначенные для нанесения удара в ходе операции «Винтергевиттер», что и стало впоследствии, по словам самого Манштейна, причиной её провала.
К 25 декабря эти резервы нанесли контрудары, в ходе которых отсекли 24-й танковый корпус В. М. Баданова, только что ворвавшийся на аэродром в Тацинской (ок. 300 немецких самолётов при этом было уничтожено на аэродроме и в эшелонах на станции).
К 30 декабря корпус из окружения вырвался, дозаправив танки смесью захваченного на аэродроме авиационного бензина с моторным маслом. К концу декабря наступавшие войска Юго-Западного фронта достигли рубежа Новая Калитва, Марковка, Миллерово, Чернышевская. В результате Среднедонской операции были разгромлены основные силы 8-й итальянской армии (за исключением Альпийского корпуса, не попавшего под удар), завершён разгром 3-й румынской армии, нанесён большой урон оперативной группе «Холлидт». 17 дивизий и 3 бригады фашистского блока оказались уничтоженными или понесли большой урон. В плен было взято 60 000 солдат и офицеров противника.
Разгром итальянских и румынских войск создал предпосылки для перехода Красной Армии в наступление на Котельниковском направлении, где войска 2-й гвардейской и 51-й армий к 31 декабря вышли на рубеж Тормосин, Жуковская, Коммисаровский, продвинувшись на 100—150 км завершили разгром 4-й румынской армии и отбросили части вновь сформированной 4-й танковой армии на 200 км от Сталинграда.
После этого линия фронта временно стабилизировалась, так как ни советские, ни немецкие войска не имели достаточно сил, чтобы прорвать тактическую зону обороны противника.
27 декабря Н. Н. Воронов выслал в Ставку ВГК 1-й вариант плана «Кольцо».
Ставка в директиве № 170718 от 28 декабря 1942 года (за подписями И. В. Сталина и Г. К. Жукова) потребовала внести изменения в план, с тем, чтобы он предусматривал расчленение 6-й армии на две части перед её уничтожением. Соответствующие изменения были внесены в план.
9 января немцам был предъявлен ультиматум, который был отклонён Паулюсом.
Утром 10 января 1943 года после мощного артиллерийского и авиационного удара советские войска атаковали оборонительные немецкие позиции.
Танки и пехота противника предпринимали контратаки, поддержанные сильным огнём артиллерии.
Немцы не смогли сдержать советские войска и стали отступать.
Целые части и даже соединения сдавались в плен.
25 января 21-я армия ворвалась в Сталинград с запада. С востока атаковала 62-я армия.
26 января они соединились в районе Мамаева кургана. Немецкая 6-я армия была расчленена на северную и южную группировки.
С 17 по 22 января наступление было приостановлено для перегруппировки, новые удары 22-26 января привели к расчленению 6-й армии на 2 группировки (советские войска соединились в районе Мамаева кургана).
Бои в городе продолжались несколько дней. 31 января южная группировка во главе с фельдмаршалом Ф. Паулюсом сдалась в плен. Ко 2 февраля капитулировала северная группировка окружённых под командованием командира 11-го арм. корпуса, генерал-полковника Карла Штрекера. Операция «Кольцо» закончилась.
Всего в ходе операции «Кольцо» в плен были взяты более 2500 офицеров и 24 генерала 6-й армии. Всего же были взяты в плен свыше 91 000 солдат и офицеров Вермахта.
Трофеями советских войск с 10 января по 2 февраля 1943 года по донесению штаба Донского фронта стали 5762 орудия, 1312 миномётов, 12701 пулемёт, 156 987 винтовок, 10 722 автомата, 744 самолёта, 166 танков, 261 бронемашина, 80 438 автомобилей, 10 679 мотоциклов, 240 тракторов, 571 тягач, 3 бронепоезда и другое военное имущество.
Капитулировали в общей сложности 20 немецких дивизий: 14-я, 16-я и 24-я танковые, 3-я, 29-я и 60-я моторизованные пехотные, 100-я егерская, 44-я, 71-я, 76-я, 79-я, 94-я, 113-я, 295-я, 297-я, 305-я, 371-я, 376-я, 384-я, 389-я пехотные дивизии. Кроме того, сдались румынские 1-я кавалерийская и 20-я пехотная дивизии. В составе 100-й егерской сдался хорватский полк. Также капитулировали 91-й полк ПВО, 243-й и 245-й отдельные батальоны штурмовых орудий, 2-й и 51-й полки реактивных миномётов.