1月22日，罗科索夫斯基开始最后阶段的进攻，准备分割包围剩下的德军防御阵地。到那时，曼施泰因已超出与保卢斯进行短波无线电话与打字电报联系的距离，可是，保卢斯却仍与陆军总部保持无线电联系。罗科索夫斯基发动进攻的那天，保卢斯拍发了一封无线电报给蔡茨勒并请转呈希特勒。他在电报中详细叙说了部队的处境，并问他应如何对弹尽粮绝的部队实施指挥。希特勒拒绝了投降的暗示，甚至迟至1月24日仍拒绝第6集团军以小股部队向西突围。岂不知它们突围之后，即使不能与顿河集团军群会合，也能在苏军防线后方制造混乱。
与此同时，苏军在顿河上游发动了一次新的大反攻，其威胁之大是前所未有的。1月13日，戈利科夫指挥的沃罗涅日方面军向位于意大利第8集团军北部的匈牙利第2集团军发动进攻，并迅速肃清倒霉的B集团军群所辖的残存兵力。新年以后，德国公众才充分了解到局势的严重程度。对解救守军抱很大希望的人寥寥无几。到1月中旬，对希特勒来讲，局势已无可挽回是再明白不过的了，他不能再装模作样，似乎他还有什么应急妙计。况且，苏军最近向匈牙利人发动的攻势，已使顿河集团军群与A集团军群甚至处于更加危险的境地。曼施泰因赞成第6集团军投降，他与元首在电话中进行了长时间的争吵，极力主张投降。但是，希特勒却坚持，包围圈中的战斗还能进行一些时日，并且坚持说，俄国人向来不守信用，所以投降不会有什么好结果。这一说法并非没有道理。
在斯大林格勒城内，崔可夫的第62集团军的西半部仍被德军第6集团军包围着，被切成两半，但它牵制了大量的德国师。扎多夫的第66集团军与舒米洛夫的第64集团军从包围圈南北两侧对德军形成夹攻之势。同时，另外四个苏军集团军从西部发起进攻。1月26日，奇斯佳科夫的第21集团军与第62集团军会师，从而德军第6集团军陷入南北两个包围圈中。1月31日，战斗已近尾声，口粮已不再发给德军伤员。此时此刻，希特勒将保卢斯由上将提升为陆军元帅，显然还希望保卢斯会继续抵抗，必要时以自杀去对付要俘虏他的人，因为自1871年建立大德意志以来，从未有一个陆军元帅当过俘虏。同日，苏军第38摩托化步兵旅的一支先遣队攻入红场附近的一座大商店，第6集团军司令部就设置在这个地下室里。保卢斯及其参谋人员被俘。南部包围圈内的战斗就此结束。北部包围圈内的德军在第11军军长施特雷克尔的指挥下，一直抵抗到2月2日。
苏军最高统帅部宣布俘获德军九万一千人，有二十四名将军，二千五百名军官，其中许多人是伤病员。据说，被苏军掩埋的德军死亡人员达十四万七千人，后来，曼施泰因与保卢斯坚持说，在斯大林格勒的德军不超过二十二万人。德军最高统帅部当时收到有关德军的伤亡数字是：死亡人员与被俘人员共二十万人。另外，苏联人是否对他们的战利品——大批的德国战俘进行过查对都很难说，更谈不上清点战场上死亡的德国人了。就连苏联人本身对德国战俘人数的估价都十分矛盾。例如，日林在1956年撰写的文章中声称，苏军歼灭了二十个德国师与两个罗马尼亚师，这是正确的，但却说俘获战俘十三万人。且不论哪种说法正确，有一点则是确凿无疑的，那就是约有二十万德军部队在斯大林格勒丧生。被说成是战俘的九万一千人中，真正返回德国的只有几千人。
莫斯科于2月1日清晨宣告：斯大林格勒德军已投降。但是，柏林并未向德国人民广播这条消息。两天后，才广播了一份公报。公报中详细叙述了第6集团军的覆没，宣称在保卢斯元帅的模范领导下的第6集团军由于寡不敌众，才被苏军战胜。并宣布悼念这一损失，规定国丧日二天。可是私下里，希特勒的感情却截然相反，他狠毒地咒骂保卢斯与同他一起被俘的将军们，发誓战后要将他们送交军事法庭。他说，保卢斯将是晋升为陆军元帅的最后一个德国军官。这么多的人都死了而保卢斯却活着，希特勒是不会饶恕的。元首本人似乎根本不承认他本人应对这场灾难负什么责任，而只是一味地指责他的将军及其盟国。
斯大林格勒包围圈内德军的处境是十分凄惨的。皮托姆尼克机场失守后，主要弹药库与补给品堆积所均被苏军占领。惊恐的情绪开始在守军中蔓延开来。德军士兵径自离开阵地，艰难地朝东向斯大林格勒走去。开始是一小队人，后来汇成一条川流不息的人流。尽管许多人已经负伤或严重冻伤，但是他们还是被军官赶拢，逐回射击掩体。伞降补给品与空投补给品散落得到处皆是。凡是落在目标上的物品，德军士兵们便甘冒处死的风险把它们抢夺一空。1月末，第24装甲师司令部退至拖拉机厂，与第389步兵师的部分部队以及施特雷克尔指挥的第11军司令部会合。2月2日凌晨时分，那里前沿上的部队未接到命令便开始投降。到九时，俄国人把这些俘虏驱集在一起。他们允许师长冯·伦斯基向他的士兵作最后一次训话。演讲结束后，除负责监视的苏军外，所有在场的人都为德国欢呼三声。然后，由一位不知名姓的苏联将军对俘虏讲话。他赞扬了他们的勇气，许诺要给他们良好的待遇、可口的食物和保留所有私人财产的权利，还说，战后将把他们迅速地遣送回国。
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