1943年1月，苏联红军发起了又一轮攻势，代号为“木星行动”，试图突破顿河地区的意大利军防线，并攻取罗斯托夫。如果这次行动成功，德军南部集团军的余部将被完全围困在高加索地区。苏联红军虽然始终未能接近罗斯托夫，但是这次行动迫使德军与斯大林格勒包围圈内的德军相隔250公里以上的距离。事实上，第6集团军已经完全失去了增援。

1943年1月8日，苏顿河方面军司令员罗科索夫斯基中将向德第6集团军司令保卢斯上将发出最后通牒，敦促其投降。保卢斯电告希特勒，要求准予他相机行事，被驳回。10日，罗科索夫斯基的顿河方面军向被围的德第6集团军发起了代号为“指环”的进攻，深陷重围的德军开始从斯大林格勒郊区向城区收缩防守。1943年1月22日，苏联红军占领了古门拉克机场（Gumrak），第6集团军的空运补给完全运输和伤员撤退行动的彻底中断了。虽然食物和弹药都极度匮乏，德军仍然顽强抵抗，因为他们相信苏联人会处死投降的军人。在斯大林格勒城中再次爆发了激烈的巷战。相反，苏联人也被包围圈中的德军庞大的数量感到惊讶，因此继续巩固包围圈。

保卢斯向希特勒报告说：“部队已不能支持了，继续抵抗已毫无意义，请准允我们投降。”他得到的答复是：“投降是不可能的，第6集团军应在斯大林格勒尽到其英勇的责任，直到最后一人为止。”曼施泰因力劝希特勒批准第6集团军残部投降，而希特勒向曼施泰因解释说，不允许投降，“一来即使包围圈中的德军分成几个较小的单位，也还可以抵抗相当长的时间；二来，俄国人根本不会遵守对第6集团军投降后所许下的诺言。”

1943年1月30日，希特勒授予保卢斯德国陆军元帅节杖，以鼓励其继续抵抗下去。他对约德尔说：“在德国历史上，还从来没有元帅被生俘的。”希特勒也希望保卢斯能够战斗到底或自杀殉国。1943年1月31日，保卢斯向总部发出最后一份电报：“第6集团军忠于自己的誓言并认识到自己所负的极为重大的使命，为了元首和祖国，已坚守自己的岗位，打到最后一兵一卒，一枪一弹。”但是，当苏联红军攻入德军设在百货商场内的司令部时，保卢斯选择了投降。

同日，苏联红军第64集团军的第38摩步旅打到了保卢斯的司令部，“第六集团军无线电台即将关闭！俄军已经攻占!打垮布尔什维克万岁，天佑德意志！”1943年2月1日，被包围的第六集团军司令部发报员自己决定向柏林发出了最后一封感动德国人的著名电报，最后用国际电码写上“CL”，表示“本台停止发报”。苏联红军在地下室外令第6集团军司令部人员投降，第6集团军参谋长施密特将军接受了要求。施密特问保卢斯：“请问陆军元帅，还有什么话要说吗？”保卢斯无话可说，只好投降。1943年2月2日，被围困在斯大林格勒城北的第11军残部也宣布投降。至此，斯大林格勒会战结束。德第6集团军司令保卢斯元帅，步兵第4军军长普费费尔中将、第51军军长库尔茨巴赫中将、第295师师长科尔费斯少将等23位将官，2000名校级以下军官和91000名极度饥饿劳累的德军士兵被俘，约14万人死亡，只有3万余伤患者事先陆续空运撤出。

让苏联红军大为惊喜但同时让德军极为失望的是，战俘中包括22名将军。希特勒对这位新陆军元帅极为失望，并公开说“保卢斯差一步就要跨入光荣的殿堂，但是他还是选择了退却。”没有明确的证据表明日德战俘受到严重的虐待导致大面积死亡。但是，据统计降的91000名战俘中，只有6000名得以生还，并回到了德国本土。由于大多数士兵本身已经营养不良，缺乏医治，加上红军将他们发配到苏联各地的战俘营中进行强制劳动，使得大多数人死于过度劳累和营养不良。十几位高级军官被带往莫斯科，用作苏联的政治宣传工具。包括保卢斯在内的军官们发表了反希特勒宣言，并向德军部队大肆宣传。瓦尔特·冯·塞德利茨·库尔茨巴赫将军甚至提出从德军战俘中组建一支反希特勒军队，但是苏联没有接受这个建议。直到1955年，这些高级战俘才被遣送回国。

尽管在战役结束前数星期，德国的官方媒体已经停止报道相关的有利消息，但德国民众还是直到1943年1月底，才了解到在斯大林格勒发生的悲剧。这并不是德军遭受的第一次打击，但是这次失败无论在规模还是在战略意义上，都是其它战役不可比拟的。1943年2月18日，德国宣传部长约瑟夫·戈培尔在柏林发表了著名的Sportpalast演说，鼓动德国国民接受总体战的理念，即利用全国的一切资源和力量来战斗到底。