天王星行动将200,000至250,000名德军士兵围困在一个由东至西50千米(31英里)和由南到北40千米(25英里)的包围圈里。包围圈内的部队包括德国第6军团所属的4个步兵军、1个隶属第4装甲军团的装甲军、2个罗马尼亚师的残部、1个克罗地亚步兵团及其它特别单位，被围困的装备有大约140辆坦克、2,000门火炮或迫击炮及10,000辆军车。向斯大林格勒撤退的路上扔满了钢盔、武器及其它装备，而被破坏的重型装备亦被遗弃在路旁。横跨顿河的桥梁拥堵不堪，生还的轴心国士兵在寒冷的冬天中匆忙地向东撤退，以免被苏军坦克和步兵拦截在斯大林格勒城外。很多受伤的轴心国士兵被踩踏，不少试图越过冰面过河的士兵也落入河中淹死。饥饿的士兵扫荡苏联的村庄找寻物资，军用后勤站也常常遭到抢掠。
最后一批落伍的士兵在11月24日渡过顿河，轴心国部队随即炸毁了河上所有桥梁，阻止苏联部队进一步追击第4装甲军团和第6军团。第6军团在混乱当中开始建立防线，并受缺乏汽油、弹药及口粮所困扰，更受到俄罗斯冬季气候所累赘，又要填补溃散的罗马尼亚军在防线上之缺口。11月23日，一些德军单位破坏或烧毁了一切在突围时不需要的物资，向斯大林格勒北面后退。但由于离开了构建完善的冬季掩体，苏联第62军团得以在旷野上攻击并消灭德军第94步兵师;该师的生还者被配属到第16和第24装甲师。虽然德国战地指挥官一致认为被包围的德意志国防军应该试着突围，但在11月23日至11月24日间希特勒严令这些部队就地死守，并尝试由空运向第6军团实施补给。被包围在城中的部队每天最少要消耗680公吨的补给，这个任务是已经贫弱的德国空军所无法承担的;加上实力已经恢复的苏联空军对飞入包围圈的德军运输机形成威胁，即使在12月时，德国空军已集结编成了1支拥有500架飞机的机队，但仍然不足以对第6军团及部份第4装甲军团的士兵运送足够的补给。
12月上半月间，第6军团每日只收到20%的正常需求量补给。与此同时，红军以全歼被围轴心国部队为目标而持续增强包围圈防御力，苏军接着计划自东面及南面攻击德军，目的是将其进一步分割成小集团。这些行动于11月24日执行，并被要求在未遭重大伤亡且不动用预备队的情况下完成任务。虽然实际上只有这个距离的四分之三被苏军占领着，但包围圈外围环长度估计长达320千米(200英里);外包围圈与内包围圈之间距离大约有16千米(9.9英里)。苏军最高指挥部亦开始筹划土星行动，目的是消灭意大利第8军团及切断高加索之德军，苏联最高统帅部计划攻势在12月10日开始。该区德军被进一步分割改组后，德军将领埃里希·冯·曼施坦因受命指挥由德国第4装甲军团和第6军团、罗马尼亚第3和第4军团重编而成的德国顿河集团军。虽然对德军来说前景颇显暗淡，在天王星行动结束后战场获得了暂时的平静。德军及苏军均在筹划他们的下一步行动。
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