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罗帅哥还是离开了，叶莲娜也为了准备了自制的丹药，虽然她汇报说，这个时候出院的话，对他的身体影响极大，但是，叶莲娜的丹药在很大的程度上，是可以基本解决这个问题的。尤其是现在对于苏联来说，这样一位非常有才能的军事将领若是将来因为没有修养好身体晚景凄凉，那也是一件非常遗憾的事。叶莲娜的佛宝丹可不是轻易给人的，更不可能一大把一大把的给，一共就给了七粒，让他一个星期吃一粒。罗科索夫不知道这丹药的贵重，但是送他离开的院长却警告他，叶莲娜的药，不是谁都可以得到的，在中国，叶莲娜的丹药堪比钻石，要慎重保存。罗科索夫从来都不是一个心粗的人，也幸好是他听了院长的忠告，这才让他的身体恢复的非常好。才能够完全的投入到激烈的战斗当中，而他更是斯大林格勒战场上不可或缺的人。
斯大林格勒一直进行着激烈的巷战。德军逐屋战斗，从地面和地下的废墟中找路前进，所以也被称为“老鼠战争”，甚至开玩笑说“即使我们占领了厨房，仍然需要在客厅进行战斗。”对斯大林来说，是决不能让这座以自己名字命名的城市落入德军之手的。他亲自下令给叶廖缅科上将，要求在任何情况下都要坚守该城。每一座房屋，只要有苏联军人，哪怕只有一个人，也要成为敌人攻不破的堡垒。而对希特勒来说，斯大林格勒的精神价值已超过了其战略价值，非要攻陷它不可，当新任陆军总参谋长蔡茨勒将军小心地向他指出第6集团军北翼漫长的顿河战线面临着危险，建议将第6集团军撤到顿河河曲时，希特勒严厉地回答说：“德国士兵到了哪里，就要守到哪里！”
经过3个月血腥的战斗至1942年11月初，德军终于缓慢地推进到了伏尔加河岸，并且占领了整座城市的80%地区，将留守的苏联军队分割成两个狭长的口袋状，德军始终未能完全占领斯大林格勒。此外，伏尔加河开始结冰，导致苏联不能再通过船运送补给品给城中守军。尽管如此，马马耶夫高地附近的战斗和北部城区的工厂地带的战斗依然非常激烈。其中，红色十月工厂、拖拉机厂和街垒工厂的战斗为全世界所知晓。当苏联士兵与德军进行枪战的同时，工厂内的工人就在侧旁修复损坏的坦克和其它武器，有的时候甚至就直接在战场上修理武器。坦克由工厂的工人志愿兵驾驶。这些坦克往往直接从兵工厂的生产线上开到了战斗前线，甚至来不及涂上油漆和安装射击瞄准镜。
1942年11月11日，德军以5个步兵师、2个装甲师和2个工兵营在宽5公里的正面上发起强攻。战斗队形高度密集。一天之内，苏德两军为争夺每寸土地、每一座房屋，都进行了异常激烈的战斗，双方伤亡惨重。德军虽然在街垒工厂以南冲到达了伏尔加河岸，但部队已疲惫不堪，其攻势已成强弩之末，保卢斯被迫于次日停止了进攻，修整部队。苏联红军的损失同样严重，第62集团军的两个师损失了75%的兵员。
远在斯大林格勒沃尔科夫，则开始筹备他和华西列夫一起制定的计划，斯大林将这个反攻计划起了一个非常响亮的名字，‘天王星行动’，行动的基本策略是将德军继续牵制在城内，然后通过打击德军虚弱的外侧来将德军包围在斯大林格勒市区。这与针对德军中央军群的“火星行动”相呼应。该计划规定：西南方面军从顿河西岸的谢拉莫菲维奇和克利茨卡亚地域桥头阵地实施主攻，突破罗马利亚第3集团军防御，直插顿河东岸的卡拉奇；斯大林格勒方面军从斯大林格勒南面向西北突击，突破罗马利亚第4集团军防御，与西南方面军在卡拉奇会师，完成对德第6集团军的合围；顿河方面军由罗科索夫中将指挥，其任务是从斯大林格勒西北面向东南实施辅助性突击，掩护西南方面军的主攻。
当德军最高统帅部接到苏联红军发起反攻的消息后，陆军总参谋长蔡茨勒将军力劝希特勒下令保卢斯撤出斯大林格勒。然而，空军司令戈林元帅却向希特勒保证说，他可以保证空军有能力通过“空中桥梁”为第6集团军的空中补给。事实证明德国空军根本没有提供如此大规模部队的供给的运输能力，其每天300吨的运输上限也无法满足每天700吨的需求。但希特勒仍然支持戈林的计划，希特勒遂命令保卢斯坚守阵地，第6集团军必须留在斯大林格勒，并命令他这个集团军今后改称“斯大林堡垒”集团军。由于恶劣天气和苏联红军防空火力，空投计划很快就遭受失败。据统计，德军只得到10%左右的所需物资，第6集团军渐渐感受到饥饿的威胁。另一面，苏联红军在不断加强对斯大林格勒的包围圈，并开始缩小包围圈的行动。
1942年12月12日，曼施泰因元帅怀着沉重的心情，发起了代号为“冬季风暴”的反攻。德军以霍特第4装甲集团军为先导，于1942年12月16日突破了苏联红军第51集团军在阿克赛河上的防线。至1942年12月19日，第4装甲集团军所属的第57装甲军已突进到离南面包围圈30英里以内的地方。此时，曼施泰因发现自己也有被数倍于己的苏联红军包围的危险。于是，他决定不顾希特勒的将令，下令保卢斯立即向南突围与第4装甲集团军会合。然而保卢斯在没有接到希特勒的直接命令之前，没有突围的意图，他以燃料不足为由拒绝了曼施泰因的命令，放弃了这最后一次机会。
曼施泰因的“冬季风暴”宣告失败。当时温度已降到零下45摄氏度。伏尔加河面的冰层逐渐变厚，因此苏联红军可以更加便利地补给己方部队。而包围圈中的德第6集团军的空运补给越来越少，平均每天不到100吨。德第6集团军濒于弹尽粮绝的境地。口粮的分配已减到了能够维持生活的标准之下；炮兵的弹药开始感到缺乏；医药品和燃料都已经用尽；数千人患上伤寒和痢疾，而冻伤的人就更多，每天都有数千名士兵死于饥饿、严寒和营养失调。一些军官试图说服保卢斯不顾希特勒的命令而迅速突围。但是保卢斯害怕背上违抗军令的罪名，因此坚持按兵不动。
1943年1月8日，苏顿河方面军司令员罗科索夫中将向德第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。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。
而保卢斯没有让他如愿，他选择了投降。天王星行动将200，000至250，000名德军士兵围困在一个由东至西50千米(31英里)和由南到北40千米(25英里)的包围圈里。包围圈内的部队包括德国第6军团所属的4个步兵军、1个隶属第4装甲军团的装甲军、2个罗马尼亚师的残部、1个克罗地亚步兵团及其它特别单位，被围困的装备有大约140辆坦克、2，000门火炮或迫击炮及10，000辆军车。向斯大林格勒撤退的路上扔满了钢盔、武器及其它装备，而被破坏的重型装备亦被遗弃在路旁。横跨顿河的桥梁拥堵不堪，生还的轴心国士兵在寒冷的冬天中匆忙地向东撤退，以免被苏军坦克和步兵拦截在斯大林格勒城外。很多受伤的轴心国士兵被踩踏，不少试图越过冰面过河的士兵也落入河中淹死。饥饿的士兵扫荡苏联的村庄找寻物资，军用后勤站也常常遭到抢掠。
这次苏军获得了巨大的胜利。斯大林格勒战役都是二战中甚至人类战争史上最为惨烈的战役之一。整个战役持续199天。由于战役规模太大，伤亡者人数始终无法得到准确统计。在战役最后阶段，德军仍然对苏联红军造成了沉重的打击，同时，苏联红军也几乎消灭了德军第6集团军全部和第4装甲集团军部分，有21个德国师的番号被从序列表中消去，另有大量直属部队被消灭。
西方学者估计轴心国军队在这场战役中共伤亡85万人，其中75万人阵亡或受伤，9.1万人被俘。而苏联方面的估计为消灭轴心国部队150万人。无论是哪种估计，德军在斯大林格勒战役中损失了东线南翼兵力1/4的说法得到了大部分人的认同。斯大林格勒会战的失败，使德军发动了后来的库尔斯克会战作为夺回苏德战场主动权的最后希望，却因此而完全丧失了苏德战场的战略主动权，正如德国陆军总参谋长蔡茨勒将军所说的：“我们在斯大林格勒损失25万官兵，那就等于打断了我们在整个东线的脊梁骨。”同时，苏联也付出了沉重的代价，苏联红军具体伤亡人数为：474871人死亡，650878人受伤或被俘，合计伤亡1129619人。在德军攻入城区的短短1星期内，超过4万苏联市民被杀，而在整个战役中牺牲的平民人数没有准确的统计，但可以说远远超过这个数字。此役，苏联红军的损失仍然要超过德军，不同的是：德军是被整建制消灭，战斗力不复存在，新的部队不经一段时间的训练形不成战斗力；而苏联红军残存的部队补充新兵，以老带新，可以迅速形成战斗力。而且德军人员和物资难以补充，苏联红军补充的速度和数量则远超德国。德国的实力因此而衰弱。
刚刚被希特勒授予元帅军阶的保卢斯及其手下的步兵第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德军高级将被迫投降。与保卢斯一同被俘的，有23位将官，2000名校级以下军官和9万名士兵。苏联在斯大林格勒会战取得的胜利具有重大的政治、军事意义。这次胜利，对争得苏联伟大卫国战争乃至整个第二次世界大战的根本转折作出了决定性贡献。斯大林格勒会战的结果，使苏军从德军手中夺取了战略主动权，并一直保持到战争结束，同时它鼓舞了各国人民同法西斯占领者进行更加坚决的斗争。
斯大林格勒保卫战，可以说是人类历史上最残酷的战争，这样的说法不是没有根据的，斯大林格勒保卫战开始。面对德军发起的连续性猛攻，苏联最高统帅部则命令该城守军采取一切措施守住阵地，为了防止部队后撤，苏联使用督战部队严格控制战场，许多新兵被迫在己方机枪下不停冲锋，从后方刚运抵的新兵平均存活时间不超过24小时。在斯大林格勒争夺战中，苏军击退德军700多次冲锋，使德军始终无法攻占全城。
双方投入及伤亡力量史无前例。期间，双方的参战人数达到了史无前例的规模：德军共投入101万人， 10，250门火炮， 675辆坦克，732架飞机。苏军则为110多万人，15，501门火炮， 1，463辆坦克， 1，115架飞机，军事力量投入上超过德国。这场惨烈的战争直到1943年2月2日正式结束，历时199天。由于战役规模太大，伤亡者人数始终无法得到准确统计，一名德军士兵指出他们一天损失约 2，000名士兵。
斯大林格勒战役保卫战中，苏军共伤亡113万。而纳粹德国方面，西方国家估计纳粹共有 75万人死亡或受伤，9万人被俘，占其在苏德战场作战总兵力的1/4。斯大林格勒战役直接造成了苏联与德国力量对比的根本变化，不仅成为苏德战争的转折点，也是第二次世界大战东部战线的转折点，单从伤亡数字来看，该战役是近代历史上最为血腥的战役。