莫斯科会战以后，希特勒被迫放弃全面进攻的计划。1942年夏集结重兵于苏德战场南部，向高加索和斯大林格勒实施重点进攻，企图攫取石油、煤、粮食等重要经济资源，切断伏尔加河水运干线，进而北取莫斯科。德军在斯大林格勒方向投入了“B”集团军群，共71个师。苏军保卫斯大林格勒的是新组建的斯大林格勒方面军，编成内有9个集团军。
7月17日，德军保卢斯上将的第6集团军首先发起进攻。7月23日、26日，德军北、南路先后开始进攻，8月17日攻占顿河西岸全部地区，苏军退至斯大林格勒外围组织防御。8月18，保卢斯的部队已进抵该城接近地。
斯大林格勒在危机中。8月27日，斯大林将在波哥烈洛耶·哥罗迪舍指挥作战的朱可夫召回莫斯科，告诉他南方形势很糟，德军有可能攻占斯大林格勒。斯大林通知他，国防委员会已决定任命他为最高统帅部副统帅，并派他到斯大林格勒。8月29日中午，朱可夫到达小伊凡诺夫，与斯大林格勒方面军领导一起研究和制定了当前的防御和以后的反攻计划。9月12日，苏军全部退守市区围廓，外围防御地带丧失殆尽，战线离市区只有2至10公里。9月13日，德军突入市区。苏军与德军展开逐街逐房的战斗，德军每前进一步都付出了惨重的代价。苏军浴血苦战，死不弃城。
这时，朱可夫和参谋长华西列夫斯基大将向最高统帅部提出一个反攻计划，主张将德军的进攻集团紧紧地钳制在斯大林格勒城下，在其两翼实施强大突击，建立起对德军斯大林格勒集团合围的对内正面，和保障消灭被围集团的对外正面。计划代号为“天王星”。此后的两个月，朱可夫极度紧张，亲自抓“天王星”作战的准备工作，同时参与保卫斯大林格勒的指挥工作。9月末，斯大林格勒方面军改称为顿河方面军，朱可夫推荐罗科索夫斯基中将接替瓦里西·尼古拉耶维奇·戈尔多夫中将任司令员。
1942年11月13日，苏军最高统帅部批准实施“天王星”计划。
反攻计划。苏军西南方面军和顿河方面军从谢拉菲莫维奇和克列茨卡亚一线，斯大林格勒方面军(新组编)从萨尔平斯耶湖一带先后发起进攻，于1942年11月23日在卡拉奇以东的苏维埃村会师，合围了德军第6集团军全部和坦克第4集团军部分兵力共22个师，约33万人。希特勒为解救被围德军，临时组成了科捷利尼科夫斯基和托尔莫辛两个突击集团，企图从西南方向打开一条通路，未获成功。1943年1月10日，苏军对被围德军发起总攻。1月25日，苏军进攻部队冲进市区，与坚守城区的苏军会师。2月2日，被围德军全部被歼。斯大林格勒会战以苏军的辉煌胜利而告结束。这场战役使人们称他为“斯大林在二战战场上的救火英雄”。