А главные силы 26-го танкового корпуса совместно со стрелковыми соединениями завязали встречный бой с 1-й румынской танковой дивизией. К исходу 20 ноября корпус, который действовал двумя группами, оказался рассредоточенным на значительном пространстве. Недостаток средств связи привел к нарушению управления войсками. К тому времени густой туман сменился мокрым снегом; сильный ветер кружил над бескрайней степью, наметая огромные снежные заносы. Видимость была ограничена. Глубокий снег и сильная гололедица затрудняли движение не только колесного автотранспорта, но и гусеничных машин. В этой обстановке командир 26-го танкового корпуса генерал Родин решил приостановить наступление почти на сутки, а за это время подтянуть отставшую артиллерию, дозаправить танки и пополнить боеприпасы.
3-й гвардейский кавалерийский корпус 20 ноября из-за нераспорядительности своего командира генерала И.А. Плиева оказался во второй половине дня даже позади пехоты. Возмущенный этим командующий войсками фронта отстранил командира корпуса от должности, а командующему 21-й армией приказал незамедлительно двинуть конницу вперед. Правда, Верховный главнокомандующий не согласился с решением Н.Ф. Ватутина, и через несколько дней командир 3-го гвардейского кавалерийского корпуса был восстановлен в должности.
20 ноября перешла в наступление южная ударная группировка – войска Сталинградского фронта. Это наступление также началось в неблагоприятных погодных условиях. Артиллерийская подготовка была назначена на 8 часов утра. Казалось, все идет по плану, но вдруг погода стала быстро портиться: сгустился туман, начался снегопад.
Командующий войсками фронта готовился выехать на передовой наблюдательный пункт, когда раздался звонок из Москвы. «Ставка беспокоится, начнете ли вовремя?» – спросил начальник оперативного управления Генерального штаба. «Сейчас туман, если рассеется, начнем вовремя, все готовы», – ответил Еременко. Но в том, что начинать никак нельзя, он убедился, когда в 7 часов 30 минут прибыл на свой НП, находившийся в полосе 57-й армии. Начало артподготовки пришлось перенести.
Ставка ВГК стала проявлять беспокойство. Но вот туман на отдельных участках поредел, видимость постепенно улучшилась. Было решено артиллерийскую подготовку начинать в каждой армии по мере того, как для этого создадутся необходимые условия. От одновременного ее проведения в масштабе фронта пришлось отказаться, впрочем, так же, как и от авиационной подготовки.
Первой в 9 часов 15 минут открыла огонь артиллерия 57-й армии. Спустя 15 минут началась артиллерийская подготовка в полосе 51-й армии. Несколько позже она началась в полосе 64-й армии. Это было связано с тем, что планом операции из-за общей низкой плотности артиллерии на Сталинградском фронте маневр ею в полосу этой армии предусматривался только после проведения артиллерийской подготовки в других армиях. Продолжительность артподготовки в армиях была различной и составляла от 40 до 75 минут. Ограниченная видимость заставляла вести огонь по ненаблюдаемым целям, за исключением тех орудий, что были выделены для стрельбы прямой наводкой. Тем не менее система огня противника в основном была нарушена.
Затем соединения 51-й (генерал Н.И. Труфанов) и 57-й (генерал Ф.И. Толбухин) армий перешли в наступление. Прорвав оборону 4-й румынской армии и отразив многочисленные контратаки, войска этих объединений начали развивать успех в западном направлении.
К середине дня были созданы условия для ввода в прорыв армейских подвижных групп.
4-й механизированный корпус генерала В.Т. Вольского составлял подвижную группу 51-й армии. Сигнал на ввод в прорыв он получил в 11 часов 20 минут, но из-за своей неготовности выступил из исходного района с опозданием на полтора часа. В итоге части корпуса смогли обогнать пехоту только через четыре часа, затратив слишком много времени на преодоление минных полей. К тому времени 126-я и 302-я стрелковые дивизии, осуществлявшие прорыв вражеской обороны, уже продвинулись на глубину 7—10 километров.
Навертывая упущенное, уничтожая разрозненные группы противника, механизированные бригады этого корпуса к исходу дня вышли в район Плодовитое, где окружили часть сил 13-й румынской пехотной дивизии. Не оказав особого сопротивления, румыны вскоре капитулировали. В плен сдались около 6 тысяч солдат и офицеров, в том числе артиллерийский полк в полном своем составе.