征服斯大林格勒德军的作战由七个集团军实施，其中有叶廖缅科的斯大林格勒方面军转隶给顿河方面军的第62、第64、第57集团军和罗科索夫斯基的顿河方面军自己的四个集团军。次年1月1日，斯大林格勒方面军改称南方方面军。在曼施泰因的救援部队尚未被最后击退、马利诺夫斯基指挥的第2近卫集团军又不能向顿河方面军抽调部队的情况下，苏军未向第6集团军发动大规模的进攻。1月8日，罗科索夫斯基向被围德军提出受降条件，遭到拒绝。两天后，开始发动首次进攻，旨在由东向西收缩包围圈。进攻是在炮兵快速移动的弹幕射击与坦克的配合下于上午九时发起的。它还得到尚未在作战地域取得全部制空权的第16航空集团军的支援，以及瓦尔德·乌布利希编纂的德语传单与广播的声援。乌布利希是配属于顿河方面军政治部的。尽管德国人发动多次反击，但苏军第65集团军在第一天仍向前推进五英里。到1月13日，攻克了七个机场中最西面的卡尔波夫卡机场，德军正用它为第6集团军提供补给。在包围圈的北面与南面，苏军其他集团军的进攻进展较慢。在这场伴有暴风雪的激烈战斗中(温度很少在摄氏零下三十度以上)，德军的每日口粮下降到二百克马肉、七十五克面包、十二克人造奶油或动物油。在铁一般坚硬的地面上不可能挖掘工事。第44、第76步兵师与第29机械化步兵师将自己在进攻的第一天所遭受的惨重损失上报给陆军总部。但是，唯一的反响就是在1月11日的答复中划定了一条新防线，并命令第6集团军未经最高统帅准许不得由此后退。一周之后，即1月17日，包围圈从原先的东西向四十英里长、南北向二十英里宽缩小到东西向二十英里长、南北向十英里宽。又有五个简易机场，包括唯一拥有夜间飞行设施的皮托姆尼克大型机场失守，唯一残存的机场在古姆拉克。但是由于积雪深，敌人的轰炸又炸出许多弹坑，常常停用。所以，从此以后德国人只好用伞降和自由空投的办法继续提供补给。这种方法的效率较低，因为需要使用专门的重型设备和受过训练的包装工与空投组。在空投时，飞机的保险系数非常低，而且投放速度缓慢，不准确，许多补给品散落到苏军手中。此时，第6集团军十分混乱，毫无机动能力，部队由于挨饿受冻，已无斗志，力不能支，以致于连收集和分配空投物资的愿望和念头都没有了。
当斯大林格勒被围八周之久，所有机场均已失陷后，一味拖延的元首为了不断地为第6集团军提供空中补给，又想出了一个新的更加坚决的措施，把指挥这场空运的权力由无能的戈林手中收回转给米尔契元帅。这个握有全权的精干的德国空军军官，于1月16日携同其参谋人员抵达塔甘罗格。米尔契后来说，如果他早日被召，就能增加补给量。事实上，即使补给情况有所改善，也是治标不治本，仍无法延长第6集团军抵抗的时间。另外，下列情况也是事实：如果增加的飞机没有新机场和必要的支援单位，依旧无法改善第6集团军的处境。在空运的最初几天中，大批飞抵塔秦斯卡亚的空运部队就使机场的地勤组织应接不暇。
鲁登科指挥的苏军第16航空集团军也给敌人造成伤亡。德国的亨克尔111型轰炸机装备着性能良好的防御武器，使苏军战斗机不敢轻举妄动。但是，容克52型飞机却易遭摧毁。夜间，德国的运输机是单独活动；而在低云和能见度不良的情况下，它们有被敌战斗机截击的危险，往往双机编组飞行。然而，在晴天，它们则用战斗机护航，以中队编队飞行。当包围圈内的飞机场依次遭到苏军飞机、火炮与迫击炮的反复猛烈地轰击时，飞机在此起降是十分危险的。在包围圈内的各个飞机场上，工作人员与劳工饿得虚弱不堪，大大拖延了从飞机上卸下补给品与填平跑道上的炸弹坑等项任务的完成。到最后，他们甚至连清除掉妨碍飞机在古姆拉克降落的薄如地毯的松软积雪的力气也没有了。机场的情景尤使较年轻的、经验不足的飞行员望而生畏，到处可以感受到恐怖的气氛，而且为了防范装病的和开小差的人搭乘飞机，需要实施严格控制。机场上聚集了大批的伤员，绝大部分已无撤走的希望。总之，在这次作战中，德国空军损失了四百九十架运输机，其中一百六十五架是当运输机使用的亨克尔111型轰炸机。损失空勤人员约一千名。在损失飞机的总数中，有许多是在地面上被击毁的。当苏军夺取塔秦斯卡亚机场时，德军损失的运输机不少于七十架。
苏军反攻的成功，使德军诸机场的平均飞行距离从一百二十五英里增至二百英里。最后，增至近三百英里。飞行时间越长，飞机需要携带的油料越多，有效载重量相应减少。飞机在空中逗留的时间越长，可以飞行的次数越少，而维修保养时间却越长。12月中旬，平均每日的运输量为一百四十吨，1月下旬则减至六十吨。由于米尔契的努力，运输吨位有所恢复，增加到每日八十吨左右。但是，这个数字对第6集团军的需要量来说，不过是杯水车薪。距收场的日子已不远了。弹药补给与粮食补给均已告竭。尽管已运出二万五千名伤员，但还有一万二千名伤员在酷寒中蜷缩在废墟和地下室里无人照料。1月10日，或此后不久，保卢斯因无法供给苏军战俘食物，便下令把他们送还苏军。但是，这项命令显然未得到执行，因为有的人不敢走，有的人遇到苏军的包围部队又被挡了回来。据说，顿河方面军于1月17日向保卢斯递交了第二份劝降书，提出了它不可能、也不会履行的条件。这些条件是照顾德军伤员，战后将所有的战俘遣返回国。
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