21 августа Паулюс смог захватить плацдарм северо-восточнее Калача, с которого его войска узким клином прорвались к городу на Волге. Через четыре дня вермахт вышел на западную окраину Сталинграда.
Несмотря на крайне неблагоприятную тактическую обстановку, которая требовала фронтального наступления, Паулюсу удалось окружить город с запада и севера. Вермахт пошел на штурм Сталинграда, который вылился в двухмесячные тяжелейшие уличные бои. Город превратился в груду развалин, в которых немецкие пехотинцы при поддержке танков прокладывали себе путь от дома к дому, от подвала к подвалу, с этажа на этаж. Корпуса огромных военных заводов превратились в крепости, где день за днем шли безжалостные бои между русскими и немецкими солдатами за каждый метр развалин. Люфтваффе наносило по Сталинграду и переправам удар за ударом. Еще до выхода немецких войск к городу он был охвачен пламенем пожаров. Горели нефтехранилища и жилые кварталы.
С левого берега, где советское командование расположило крупнокалиберную артиллерию, круглосуточно шел обстрел позиций армии Паулюса. К 11 ноября в руках у РККА остался участок набережной в районе тракторного завода «Баррикады», где сражались остатки 62-й армии. В конце концов на «острове полковника Людникова» осталась только 138-я стрелковая дивизия, давшая плацдарму имя своего командира. Паулюс не смог сбросить в Волгу три советских стрелковых полка, которые удерживали полоску берега до начала контрнаступления.
11 декабря 1942 года в 0 часов 20 минут Сталин направил Рокоссовскому директиву о начале операции «Кольцо». Затем в течение нескольких дней, с 19 по 23 ноября, на Восточном фронте произошло нечто невообразимое: вся 6-я армия вермахта по главе с Фридрихом Паулюсом была окружена. Еще утром 21 ноября советские танки прорвали позиции немецких войск и оказались всего в нескольких километрах от Голубинской, где располагался штаб 6-й армии. Паулюс, прилетевший в расположение окружаемых войск, срочно эвакуировал свою ставку на железнодорожную станцию Гумрак западнее Сталинграда. В тот же день командующий 6-й армией связался с Вейхсом, требуя разрешить ему отвести свои войска за Дон и Чир. Фон Вейхс в принципе был согласен, но вечером Гитлер специальной радиограммой приказал Паулюсу оставаться в Сталинграде и удерживать город любой ценой.
23 ноября Паулюс отправил фюреру радиограмму, в которой просил разрешить его армии оставить город и вырваться из кольца: «Боеприпасы и горючее кончаются. Большинство артиллерийских батарей и противотанковых подразделений израсходовали свои боеприпасы. Своевременный и достаточный подвоз предметов снабжения исключен. Армия окажется в ближайшее время на краю гибели, если не удастся, сосредоточив все силы, нанести поражение войскам противника, наступающим с юга и с запада. Для этого необходимо немедленно снять все дивизии из Сталинграда и значительные силы с северного участка фронта. Неизбежным следствием этого должен быть прорыв в юго-западном направлении, поскольку такими незначительными силами невозможно организовать оборону северного и восточного участков фронта. И хотя мы при этом потеряем много техники, нам удастся сохранить большую часть боеспособных войск». Но на следующий день Гитлер отдал 6-й армии приказ стоять до конца и ждать помощи.
Пока немецкие солдаты гибли в заснеженных сталинградских степях, которые напоминали ветеранам Роммеля пески Сахары, начальник штаба ОКХ Цейтцлер безуспешно пытался убедить фюрера вывести армию Паулюса из котла. Гитлер уповал на новые тяжелые танки – «тигры», рассчитывая, что они смогут снаружи прорвать кольцо окружения. Несмотря на то что эти машины еще не были испытаны в бою и никто не знал, как они поведут себя в условиях русской зимы, он верил, что даже один батальон «тигров» сможет коренным образом изменить обстановку под Сталинградом. Курт Цейтцлер, понимая всю нелепость подобных ожиданий, 23 ноября потребовал от Гитлера отдать 6-й армии приказ с боем выходить из окружения, пока еще есть запасы горючего и снарядов. Но Гитлер при поддержке Кейтеля и Йодля отказался принять такое решение. Кроме того, Геринг пообещал снабжать 6-ю армию всем необходимым по воздуху.
Судьба Фридриха Паулюса и 6-й армии была решена. Его ждал плен и переход на сторону противника, а его солдат – гибель в голой степи, в развалинах Сталинграда, в лучшем случае – сдача в плен.
По приказу Гитлера Сталинград был объявлен «крепостью», которую армия Паулюса должна была удерживать до «победного» конца.