Приняв командование, Рокоссовский застал новообразованный фронт в наступлении. Выполняя приказ Ставки, 30 сентября в 5.00, после артподготовки перешли в наступление части 1-й гвардейской армии, 24-й и 65-й армии. Два дня шли тяжёлые бои. Но, как отмечает Самсонов, части армий продвижений не имели. Более того, в результате контратак немцев были оставлены несколько высот. 2 октября наступление выдохлось. Из резерва Ставки донской фронт получает полностью укомплектованный 7 Сд (277, 62, 252, 212, 262, 331, 293 сд.). Командование донского фронта решает использовать свежие силы для нового наступления. 4 октября Рокоссовский поручает разработать план наступательной операции, и 6 октября план был готов. Срок операции был назначен на 10 октября. Но в это время происходит несколько событий.
5 октября 1942 года Сталин разговаривает по телефону с Ерёменко, где в резкой форме критикует руководство Сталинградского фронта и требует принять немедленные меры к стабилизации фронта и последующего разгрома противника. В ответ на это 6 октября Ерёменко делает доклад Сталину об обстановке и соображениях о дальнейших действиях фронта. Первая часть этого документа – оправдание и сваливание вины на Донской фронт («возлагали большие надежды на помощь с севера» и т.д.). Во второй части Еременко предлагает провести операцию по окружению и уничтожению немецких частей под Сталинградом. Там впервые предлагается провести окружение 6-й армии, ударами по румынским частям, и после прорыва соединиться в районе Калач-на-Дону.
Ставка рассмотрела план Ерёменко, но посчитала его невыполнимым (слишком большая глубина операции и т.д.).
В итоге Ставка предложила следующий вариант окружения и разгрома немецких войск под Сталинградом. 7 октября вышла директива генштаба (№170644) о проведении наступательной операции двумя фронтами по окружению 6-й армии. Донскому фронту предлагалось нанести главный удар в направлении Котлубани, прорвать фронт и выйти в район Гумрак. Одновременно с этим Сталинградский фронт ведет наступление из района Горная Поляна на Ельшанку, и после прорыва фронта части выдвигаются в район Гумрак, где соединяются с частями ДФ. В этой операции командованию фронтами разрешалось использовать свежие части. Донской фронт – 7 сд, Сталинградский фронт – 7-й Ст.К., 4 Кв. К. Срок операции назначили на 20 октября.
Таким образом, планировалось окружить и уничтожить только немецкие войска, ведущие боевые действия непосредственно в Сталинграде (14-й танковый корпус, 51-й и 4-й пехотные корпуса, всего около 12 дивизий).
Командование Донского фронта оказалось недовольно этой директивой. 9 октября Рокоссовский предоставил свой план наступательной операции. Он сослался на невозможность прорыва фронта в районе Котлубань. По его расчётам, для прорыва требовалось 4 дивизии, для развития прорыва – 3 дивизии и ещё 3 – для прикрытия от ударов немцев; таким образом, 7-ми свежих дивизий было явно недостаточно. Рокоссовский предложил главный удар нанести в районе Кузьмичи (высота 139,7), то есть все по той же старой схеме: окружить части 14-го танкового корпуса, соединиться с 62-й армией и только после этого двигаться к Гумраку на соединение с частями 64-й армии. На это штаб донского фронта планировал 4 дня: 20–24 октября. «Орловский выступ» немцев не давал покоя Рокоссовскому ещё с 23 августа, поэтому он решил «подстраховаться» и сначала разобраться с этой «мозолью», а после этого завершить полное окружение.
Ставка не приняла предложение Рокоссовского и рекомендовала ему подготовить операцию по плану Ставки; однако ему было разрешено провести частную операцию против орловской группировки немцев 10 октября, не привлекая свежих сил.
9 октября части 1-й гвардейской армии, а также 24-й и 66-й армий начали наступление в направлении Орловки. Наступающую группировку поддерживали 42 штурмовика Ил-2, под прикрытием 50 истребителей 16-й Воздушной армии. Первый день наступления закончился безрезультатно. 1-я гвардейская армия (298, 258, 207 сд) продвижения не имела, а 24-я армия продвинулась на 300 метров. 299 сд (66-й армии), наступающая на высоту 127,7, понеся большие потери, продвижений не имела. 10 октября попытки наступления продолжались, но к вечеру окончательно ослабли и прекратились. Очередная операция по «ликвидации Орловской группировки» провалились. В результате этого наступления из-за понесённых потерь была расформирована 1-я гвардейская армия. Передав оставшиеся части 24-й армии, управление было выведено в резерв Ставки.
Эта неудачная операция практически не отражена в советской историографии, Г.К. Жуков в своих воспоминаниях, упоминает эту операцию как вспомогательную, не делая акцента на её результатах.
19 ноября 1942 г. началось наступление Красной Армии в рамках операции «Уран». 23 ноября в районе Калача замкнулось кольцо окружения вокруг 6-й армии вермахта. Выполнить план «Уран» полностью не удалось, так как не удалось расчленить 6-ю армию на две части с самого начала (ударом 24-й армии в междуречье Волги и Дона). Попытки ликвидировать окружённых с ходу в этих условиях также не удались, несмотря на значительное превосходство в силах – сказывалась превосходящая тактическая подготовка немцев. Однако 6-я армия была изолирована и запасы топлива, боеприпасов и продовольствия прогрессивно сокращались, несмотря на попытки снабжения её по воздуху, предпринятым 4-м воздушным флотом под командованием Вольфрама фон Рихтгофена.
Новообразованная вермахтом группа армий «Дон» под командованием фельдмаршала Манштейна предприняла попытку прорыва блокады окружённых войск (Операция «Винтергевиттер» (нем. Wintergewitter, Зимняя гроза)). Первоначально её планировалось начать 10 декабря, однако наступательные действия Красной Армии на внешнем фронте окружения вынудили отложить начало операции на 12 декабря. К этой дате немцам удалось представить лишь одно полноценное танковое соединение – 6-ю танковую дивизию вермахта и (из пехотных соединений) остатки разгромленной 4-й румынской армии. Эти части находились в подчинении управления 4-й танковой армии под командованием Г. Гота. В ходе наступления группировка была усилена весьма потрёпанными 11-й и 17-й танковыми дивизиями и тремя авиаполевыми дивизиями. К 19 декабря фактически прорвавшие оборонительные порядки советских войск части 4-й танковой армии столкнулись с только что переброшенной из резерва Ставки 2-й гвардейской армией под командованием Р.Я. Малиновского. В состав армии входили два стрелковых и один механизированный корпус. В ходе встречных боёв к 25 декабря немцы отошли на позиции, на которых они находились до начала операции «Винтергевиттер», потеряв практически всю технику и более 40 тыс. человек.
По замыслу советского командования, после разгрома 6-й армии, силы, занятые в операции «Уран», разворачивались на запад и наступали по направлению к Ростову-на-Дону в рамках операции «Сатурн». Одновременно с этим южное крыло Воронежского фронта наносило удар по 8-й итальянской армии к северу от Сталинграда и наступало прямо на запад (к Донцу) со вспомогательным ударом на юго-запад (к Ростову-на-Дону), прикрывая северный фланг Юго-Западного фронта в период гипотетического наступления. Однако в связи с неполной реализацией «Урана», «Сатурн» был заменён на «Малый Сатурн». Рывок к Ростову (из-за нехватки семи армий, скованных 6-й армией под Сталинградом) уже не планировался, Воронежский фронт вместе с Юго-Западным и частью сил Сталинградского фронта имели целью отбросить противника на 100–150 км на запад от окружённой 6-й армии и разгромить 8-ю итальянскую армию (Воронежский фронт). Наступление планировалось начать 10 декабря, однако проблемы связанные с подвозом новых частей необходимых для операции (имевшиеся на месте были связаны под Сталинградом) привели к тому, что А.М. Василевский санкционировал (с ведома И.В. Сталина) перенос начала операции на 16 декабря. 16–17 декабря фронт немцев на Чире и на позициях 8-й итальянской армии был прорван, советские танковые корпуса устремились в оперативную глубину.
Однако в середине 20-х чисел декабря к группе армий «Дон» стали подходить оперативные резервы (четыре немецких танковых дивизии, хорошо укомплектованных), первоначально предназначенные для нанесения удара в ходе операции «Винтергевиттер». К 25 декабря эти резервы нанесли контрудары, в ходе которых отсекли танковый корпус В.М. Баданова, только что ворвавшийся на аэродром в Тацинской (86 немецких самолётов при этом было уничтожено на аэродромах). После этого линия фронта временно стабилизировалась, так как ни советские, ни немецкие войска не имели достаточно сил, чтобы прорвать тактическую зону обороны противника.
27 декабря Н.Н. Воронов выслал в Ставку ВГК первый вариант плана «Кольцо». Ставка в директиве №170718 от 28 декабря 1942 г. (за подписями Сталина и Жукова) потребовала внести изменения в план, с тем, чтобы он предусматривал расчленение 6-й армии на две части перед её уничтожением. Соответствующие изменения были внесены в план. 10 января началось наступление советских войск, основной удар наносился в полосе 65-й армии генерала Батова. Однако немецкое сопротивление оказалось настолько серьёзным, что наступление пришлось временно прекратить. С 17 по 22 января наступление было приостановлено для перегруппировки, новые удары 22–26 января привели к расчленению 6-й армии на две группировки (советские войска соединились в районе Мамаева кургана), к 31 января была ликвидирована южная группировка (пленено командование и штаб 6-й армии во главе с Паулюсом), ко 2 февраля капитулировала северная группировка окружённых под командованием командира 11-го армейского корпуса, генерал-полковника Карла Штрекера. Стрельба в городе шла до 3 февраля. Ликвидация 6-й армии должна была, по плану «Кольцо», завершиться за неделю, а в действительности продлилась 23 дня. (24-я армия 26 января выбыла из состава фронта и отправлена в резерв Ставки.)