天王星行动本来已被推迟至11月17日，因为格奥尔吉·朱可夫将军被告知参加天王星行动的空军单位尚未就位，此后又顺延了2天;行动最终在11月19日展开。罗马尼亚陆军中尉格哈德·史托当时在前线，当日接到一个电话称早上5时将有苏军攻势;但是，由于他接到情报的时间已在5时后，且不敢凭借未核实的情报吵醒上级军官，他没有向罗马尼亚军团指挥部报告他收到的消息。由于浓雾和大雪造成视野不清，苏军指挥官建议推迟炮击的时间，然而方面军指挥部决定照原定时间实施。早上7时20分(莫斯科时间;德国时间则为早上5时20分)，苏军炮兵指挥部收到代号为“汽笛”的命令，对整条保护德军侧翼的非德国轴心国单位防线实施长达80分钟的直接炮轰，多达3,500门火炮轰击了罗马尼亚第3军团及德国第6军团侧翼的北肩，虽然浓雾令苏军未能通过目视观察进行炮击修正，但前线长达数星期的准备及测距工作令他们能准确地实施射击。炮击的效果非常好，轴心国军的通讯线路被中断、弹药临时堆积处被破坏及前进观测点被毁坏，很多在炮击下生存的罗马尼亚人员开始向后方逃窜。苏军用于炮击罗马尼亚军炮兵阵地及第2道防线的重炮，也顺带击中了撤退中的士兵。

　　11月19日:攻击罗马尼亚第3军团在北部，苏联以第21、第65步兵军和第5坦克军团为先导，于早上8时50分对罗马尼亚第3军团发动进攻。首2轮进攻均被罗马尼亚守军击退，而大规模炮轰亦令苏军装甲部队难以通过地雷区及复杂地形。但是由于罗马尼亚守军缺乏重型反坦克炮，防线终于崩溃;当日午时被苏联第4机械化军及第3亲卫骑兵军打开了一个突破口。之后第5坦克军团在第8骑兵军的跟随下突破了罗马尼亚第2军的防线。当苏军装甲部队利用罗盘通过浓雾前进、越过罗马尼亚军及德军炮兵阵地时，3个罗马尼亚师开始混乱地后撤;罗马尼亚第3军团已被从东西两面包抄。在收到苏军进攻的消息后，第6军团司令部未能命令仍在斯大林格勒市内的第16及第24装甲师前往支援罗马尼亚军，而以作为预备队第48装甲军代替.

　　兵力被严重削弱及缺乏装备的第48装甲军只有少于100辆可使用的现代化坦克应付苏军的装甲部队。而且由于缺乏汽油和装备，指挥官被迫将失去坦克的车组编入步兵连队作战;第22装甲师是该军组成单位之一，在随即发生的激战中几乎被全歼。第22装甲师只能投入不到30辆坦克参加战斗，很快损失得只剩下1个装甲连。罗马尼亚第1装甲师被配属到第48装甲军，在与它的德军军级指挥官失去联络后，与苏军第26坦克军交战并在11月20日被消灭。当苏军继续向南推进时，很多车组受到正在恶化的暴风雪影响，比如积雪遮住火炮瞄准器;坦克在雪地上失去附着力而失控滑行，导致车组成员撞断臂膀也毫不罕见。但是，暴风雪亦同时阻碍了德军各军之间的合作。

　　罗马尼亚第3军团在11月19日晚上开始被击溃，苏联第21军团及第5坦克军团俘获了27,000名罗马尼亚士兵—相当于3个师的兵力然后并继续向南推进。苏军骑兵被用于巩固突破口，切断罗马尼亚人与意大利第8军团之间的联系，及阻止任何对苏军侧翼的反攻。当红军空军轰炸扫射后撤的罗马尼亚士兵时，德国空军只能作微不足道的反击.原本在德军第376步兵师侧翼的罗马尼亚第1骑兵师后撤，令苏联第65军团得以绕过德军的防线。当德军在11月19日稍晚作出回应时，对第6军团南翼的另一次进攻开始了。

　　攻击德军南翼日

　　11月20日早上，苏联最高统帅部打电话给斯大林格勒方面军司令员安德烈·叶廖缅科，询问他是否会根据时间表准时在早上8时发动他这部分之攻势，叶廖缅科回答只会在浓雾消散后才展开攻势。由于未获方面军总部通知，只有第51军团准时开始炮火准备，其它部队却收到命令将攻击开始时间推迟至早上10时。进攻开始后第51军团攻击了罗马尼亚第6军，俘获很多战俘。当第57军团在10时加入攻击时，情况已变得非常适合运用方面军的装甲部队。德军第279步兵师眼见其罗马尼亚盟友被突破而无所作为，但是当试图巩固最早的攻势打开的突破口时，误会和缺乏指挥令苏军第4及第13机械化军进展缓慢。

　　发现这一情况，德军迅速命令该地区唯一的预备队，第29装甲掷弹兵师发动反击。虽然在反击初期数次战胜苏联装甲部队，罗马尼亚军的崩溃迫使该师在南线停止进攻，转入防御。第29装甲掷弹兵师的反攻令红军付出了大约50辆坦克的代价，令苏军指挥官担忧其左翼之安全，但是，该德军师之重新部署导致到该日日终时，只有罗马尼亚第6骑兵团位于前进中的苏军与顿河之间。

　　行动继续:

　　当斯大林格勒方面军在11月20日展开其攻势时，苏联第65军团继续对德国第6军团北端侧翼的德国第11军施加压力。红军第4坦克军从正面压倒德国第11军，同时第3亲卫骑兵军攻入德军后方。德军第376步兵师及奥地利第44步兵师被重新部署至侧翼以迎击苏军，但是因缺乏汽油而延误。德军第14装甲师剩余的装甲团歼灭了试图实施迂回的苏联第3亲卫骑兵军的1个团，但其反坦克炮阵地被苏军突破，伤亡惨重。在这日日终时苏联第1坦克军已经迫使德国第48装甲军后撤，而苏联第26坦克军则攻占位于斯大林格勒西北大约130千米(81英里)的佩莱拉佐夫斯基镇。

　　红军之攻势在11月21日仍然持续，斯大林格勒方面军已突入德军防线50千米(31英里)。这时在北面剩下的罗马尼亚军单位已被分割包围、逐个消灭，红军开始攻击德国第4装甲军团及第6军团之侧翼。德军第22装甲师，虽然尝试发起1次小型反攻，但兵力已被消耗到相当于1个连的规模，被迫向西南撤退。苏联第26坦克军，消灭了罗马尼亚第1装甲师的大部分兵力后继续向西南进攻，并未消灭留在身后的罗马尼亚残兵，即使罗马尼亚第5军的残部已经重组并建立坚固防线，等待德国第48装甲军的救援。这天德国第6军团司令弗里德里希·保卢斯上将接到报告说苏军距离他的总部只有少于40千米(25英里);加上已没有剩余部队可以阻止苏军在南方的进攻。在南面，经过短暂的停顿后，苏军第4机械化军继续向北进攻，清除在该地区数个城镇的德国守军，直指斯大林格勒。意识到斯大林格勒城内及附近的德军面临危险，希特勒命令在该地区之德军全面防守各个方向，并将顿河与伏尔加河之间的部队划为“斯大林格勒要塞”，断绝了第6军团突围的希望。第6军团、其它轴心国单位及大部分第4装甲军团之德军单位被困在苏军日益壮大之包围圈中，只有第16装甲掷弹师尝试作突围行动。由于当苏军之坦克军尝试沿德军南翼扩大突破口时，步兵与坦克之间缺乏协同，令大部分罗马尼亚第4军团之士兵逃出了包围圈。

　　11月22日苏军开始渡过顿河向卡拉奇镇进攻，防守卡拉奇之德军大部分由维修及补给人员编成，他们直至11月21日才知道苏军的攻势，却仍不知道进攻之苏军实力如何。攻占卡拉奇的桥梁之任务交由第26坦克军负责，他们利用2辆俘获的德军坦克及1辆侦查车进逼并向守卫开火。上述苏军在22日上午突入市内、战斗至下午14时左右逐出守军，令他们及第4坦克军得以与从南面而来的斯大林格勒方面军第4机械化军在苏维埃斯基附近会师，对斯大林格勒城内德军的包围在1942年11月22日完成。同日苏军亦继续清除包围圈内罗马尼亚士兵残余的袋形阵地，例如由罗马尼亚第5军建立的一段。

　　战斗直至11月23日，德军再次徒劳地尝试打破包围。此后包围圈内的轴心国人员移向东面的斯大林格勒以避开苏军坦克，逃离包围圈的一部分则向西退避，逃向德军及其它轴心国部队之阵地。

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