天王星行動將200,000至250,000名德軍士兵圍困在一個由東至西50千米(31英里)和由南到北40千米(25英里)的包圍圈裏。包圍圈內的部隊包括德國第6軍團所屬的4個步兵軍、1個隸屬第4裝甲軍團的裝甲軍、2個羅馬尼亞師的殘部、1個克羅地亞步兵團及其它特別單位，被圍困的裝備有大約140輛坦克、2,000門火炮或迫擊炮及10,000輛軍車。向斯大林格勒撤退的路上扔滿了鋼盔、武器及其它裝備，而被破壞的重型裝備亦被遺棄在路旁。橫跨頓河的橋樑擁堵不堪，生還的軸心國士兵在寒冷的冬天中匆忙地向東撤退，以免被蘇軍坦克和步兵攔截在斯大林格勒城外。很多受傷的軸心國士兵被踩踏，不少試圖越過冰面過河的士兵也落入河中淹死。飢餓的士兵掃蕩蘇聯的村莊找尋物資，軍用後勤站也常常遭到搶掠。
最後一批落伍的士兵在11月24日渡過頓河，軸心國部隊隨即炸燬了河上所有橋樑，阻止蘇聯部隊進一步追擊第4裝甲軍團和第6軍團。第6軍團在混亂當中開始建立防線，並受缺乏汽油、彈藥及口糧所困擾，更受到俄羅斯冬季氣候所累贅，又要填補潰散的羅馬尼亞軍在防線上之缺口。11月23日，一些德軍單位破壞或燒燬了一切在突圍時不需要的物資，向斯大林格勒北面後退。但由於離開了構建完善的冬季掩體，蘇聯第62軍團得以在曠野上攻擊並消滅德軍第94步兵師;該師的生還者被配屬到第16和第24裝甲師。雖然德國戰地指揮官一致認爲被包圍的德意志國防軍應該試着突圍，但在11月23日至11月24日間希特勒嚴令這些部隊就地死守，並嘗試由空運向第6軍團實施補給。被包圍在城中的部隊每天最少要消耗680公噸的補給，這個任務是已經貧弱的德國空軍所無法承擔的;加上實力已經恢復的蘇聯空軍對飛入包圍圈的德軍運輸機形成威脅，即使在12月時，德國空軍已集結編成了1支擁有500架飛機的機隊，但仍然不足以對第6軍團及部份第4裝甲軍團的士兵運送足夠的補給。
12月上半月間，第6軍團每日只收到20%的正常需求量補給。與此同時，紅軍以全殲被圍軸心國部隊爲目標而持續增強包圍圈防禦力，蘇軍接着計劃自東面及南面攻擊德軍，目的是將其進一步分割成小集團。這些行動於11月24日執行，並被要求在未遭重大傷亡且不動用預備隊的情況下完成任務。雖然實際上只有這個距離的四分之三被蘇軍佔領着，但包圍圈外圍環長度估計長達320千米(200英里);外包圍圈與內包圍圈之間距離大約有16千米(9.9英里)。蘇軍最高指揮部亦開始籌劃土星行動，目的是消滅意大利第8軍團及切斷高加索之德軍，蘇聯最高統帥部計劃攻勢在12月10日開始。該區德軍被進一步分割改組後，德軍將領埃裏希·馮·曼施坦因受命指揮由德國第4裝甲軍團和第6軍團、羅馬尼亞第3和第4軍團重編而成的德國頓河集團軍。雖然對德軍來說前景頗顯暗淡，在天王星行動結束後戰場獲得了暫時的平靜。德軍及蘇軍均在籌劃他們的下一步行動。
