Poté, co byly sovětské průlomy na východní frontě eliminovány, převzal Wehrmacht na jaře 1942 opět iniciativu. Nová Hitlerova ofenzíva (Fall Blau) si kladla za cíl dobytí jižního Ruska a po dosažení Volhy proniknutí za Kavkaz, kde mělo být obsazeno Baku a místní ropná pole. Jakmile půda po jarním tání dostatečně ztvrdla, byl v květnu zahájen útok proti Sovětům na Krymu, jenž byl završen dobytím obleženého Sevastopolu na začátku července. 28. června vyrazili Němci východně od Charkova směrem na Voroněž a za méně než čtyři týdny stanuli na březích Donu. Navzdory rychlosti útoku byly počty zajatých sovětských vojáků nesrovnatelně nižší než v předchozím roce. Stalin a jeho generálové věřili, že Němci chystají druhý, mnohem mocnější úder na Moskvu a shromáždili zde veškeré dostupné zálohy, zatímco na jihu se Rudá armáda měla vyvarovat obklíčení.
Koncem července se Hitler vlivem relativní snadnosti německého postupu rozhodl pozměnit původní plán a nařídil polovině armád blížících se ke Stalingradu zamířit na Kavkaz. 23. července byl znovu dobyt Rostov a na začátku srpna se německé tanky přehnaly přes Kubáň, načež dorazily k severnímu Kavkazu, kde byly spatřeny první vrtné věže. 21. srpna vztyčili bavorští horští myslivci vlajku se svastikou na hoře Elbrus. Kvůli velkým vzdálenostem a nedostačující železniční síti se však vážně zhoršilo zásobování vojenských operací, což zpomalilo další útoky.
Souběžně s ofenzívou na Kavkaze pokračoval rovněž postup německé 6. armády vstříc Stalingradu. Vlastní bitva u Stalingradu začala 23. srpna potom, co asi 1000 letadel Luftwaffe zasypalo Stalingrad zápalnými bombami, které proměnily většinu města v hromadu sutin. Krátce nato dosáhly německé jednotky Volhy severně od města. V samotném Stalingradu Stavka zorganizovala improvizovanou obranu, s níž se Němci střetli v rozhořčeném boji o každý dům a ulici. Zapletli se tak do náročné a vyčerpávající bitvy v rozvalinách města, v níž utrpěli vysoké ztráty. Během německé ofenzívy, pokračující až do poloviny října, přišla 6. armáda o polovinu svých bojových stavů, zatímco sovětské 62. armádě neustále proudily přes Volhu čerstvé posily.
Kvůli přílišnému roztažení fronty byla německá křídla tvořena méně kvalitními rumunskými, maďarskými a italskými divizemi. Této slabosti využili Sověti, když v rámci operace Uran provedli 19. listopadu dva mohutné údery severozápadně a jihovýchodně od města. O čtyři dny později se útočící sovětské fronty setkaly západně od Stalingradu, čímž byla 6. armáda uvržena do obklíčení. Ujištěn Göringovým tvrzením, že Luftwaffe dokáže zásobit obleženou 6. armádu letecky, rozkázal Hitler jejímu veliteli, generálu Paulusovi, vytrvat na místě. 12. prosince byl zahájen pokus o vyproštění. Nicméně trvající sovětský nápor a Hitlerův kategorický nesouhlas s vyklizením Stalingradu měly za následek, že němečtí vojáci ve městě se ocitli v pasti. V polovině prosince byla spuštěna operace Saturn, při níž Rudá armáda vytlačila Němce z Kavkazu. Zatím ve Stalingradu Paulus odmítl sovětskou výzvu ke kapitulaci, pročež Sověti obnovili útok na město, než konečně 31. ledna Paulus a většina vyhladovělých vojáků 6. armády v beznadějné situaci kapitulovala. Zbytky německých sil ve Stalingradu se vzdaly 2. února 1943, ačkoli omezené střety především v městských stokách pokračovaly ještě v dalších měsících. Z téměř 300 000 příslušníků 6. armády padlo do sovětského zajetí 90 000 mužů, z nichž se po válce vrátilo do Německa pouze 6000. Sovětské vítězství u Stalingradu definitivně zlomilo mýtus o neporazitelnosti Wehrmachtu a stalo se symbolem obratu ve vývoji války.