1942年8月29日，斯大林任命朱可夫为最高副总司令，开始全权指挥斯大林格勒战役。在朱可夫接手之前，华西列夫斯基一直以统帅部代表的身份指挥这场战役，同时还派出了另外两位统帅部代表在同时指挥这场战役。这种情况在东部战役中是比较少见的，所以也足以说明这场战役对苏军的重要性。
朱可夫到达战场后并没有急于发动新的攻势，而是提出了一个大胆的反攻计划，即他与华西列夫斯基和斯大林的副手莫洛托夫共同制定了一个秘密的反攻计划，这计划被称之为“双星计划”。其中心内容是同时对中线和南线发动总攻。中线的行动叫“火星行动”，重点是解除莫德尔第9集团军对莫斯科的威胁;南线的行动叫“天王星行动”，主要是任务是围歼保卢斯的第6集团军。
为了保证双星计划的顺利进行，朱可夫还对斯大林格勒战场的指挥系统进行了调整。他选择了崔可夫作为守城的主将，并把保卢斯的第六集团军拖入了血腥的巷战当中。要说斯大林格勒战役进行的最艰难的阶段就是在9月到11月初的80多天时间里，为了给双星计划赢得更多的准备时间，崔可夫的巷战进行的异常艰难。
虽然“天王星行动”准备的非常充分，然而苏军的这一部署却因曼施坦因组建顿河集团军群而中断。曼施坦因的冬季风暴行动在一定程度上大大降低了“天王星行动”的效果，这也迫使苏联最高统帅部重新考虑发动另外两场作战。实际上，苏联发起的企图切断A集团军群后路的“木星行动”是一次失败的行动，不仅没有切断德军的退路，还促使曼施坦因的唐集团军群与克莱斯特的第1装甲军合并。
1943年1月，由于冬季风暴导致曼施坦因救援保卢斯第六集团军的行动失败，苏军想在南线发动大规模战役，收复罗斯托夫，将德军赶出顿河流域。然而，苏联人误判了A集团军的实力，在B集团军进攻斯大林格勒的同时，罗马尼亚和意大利的仆从国军负责两个战斗群之间通道的安全。苏联人以为A集团军的主要作战方向是高加索，但没想到德国统帅部会同意从高加索撤军。第1装甲军的迅速撤退打乱了苏军的进攻计划，收复罗斯托夫的企图落空。
从某种意义上来说，苏军的“木星行动”甚至还帮助德军整个和重组了兵力，同时也为曼施坦因赢得哈尔科夫反击战创造了条件。对于苏联来说唯一好处就是迫使曼施坦因不得不放弃救援保卢斯的第六集团军，这也让罗科索夫斯基的“指环行动”能够毫无顾虑的进展。