天王星行動本來已被推遲至11月17日，因爲格奧爾吉·朱可夫將軍被告知參加天王星行動的空軍單位尚未就位，此後又順延了2天;行動最終在11月19日展開。羅馬尼亞陸軍中尉格哈德·史託當時在前線，當日接到一個電話稱早上5時將有蘇軍攻勢;但是，由於他接到情報的時間已在5時後，且不敢憑藉未覈實的情報吵醒上級軍官，他沒有向羅馬尼亞軍團指揮部報告他收到的消息。由於濃霧和大雪造成視野不清，蘇軍指揮官建議推遲炮擊的時間，然而方面軍指揮部決定照原定時間實施。早上7時20分(莫斯科時間;德國時間則爲早上5時20分)，蘇軍炮兵指揮部收到代號爲“汽笛”的命令，對整條保護德軍側翼的非德國軸心國單位防線實施長達80分鐘的直接炮轟，多達3,500門火炮轟擊了羅馬尼亞第3軍團及德國第6軍團側翼的北肩，雖然濃霧令蘇軍未能通過目視觀察進行炮擊修正，但前線長達數星期的準備及測距工作令他們能準確地實施射擊。炮擊的效果非常好，軸心國軍的通訊線路被中斷、彈藥臨時堆積處被破壞及前進觀測點被毀壞，很多在炮擊下生存的羅馬尼亞人員開始向後方逃竄。蘇軍用於炮擊羅馬尼亞軍炮兵陣地及第2道防線的重炮，也順帶擊中了撤退中的士兵。
11月19日:攻擊羅馬尼亞第3軍團在北部，蘇聯以第21、第65步兵軍和第5坦克軍團爲先導，於早上8時50分對羅馬尼亞第3軍團發動進攻。首2輪進攻均被羅馬尼亞守軍擊退，而大規模炮轟亦令蘇軍裝甲部隊難以通過地雷區及複雜地形。但是由於羅馬尼亞守軍缺乏重型反坦克炮，防線終於崩潰;當日午時被蘇聯第4機械化軍及第3親衛騎兵軍打開了一個突破口。之後第5坦克軍團在第8騎兵軍的跟隨下突破了羅馬尼亞第2軍的防線。當蘇軍裝甲部隊利用羅盤通過濃霧前進、越過羅馬尼亞軍及德軍炮兵陣地時，3個羅馬尼亞師開始混亂地後撤;羅馬尼亞第3軍團已被從東西兩面包抄。在收到蘇軍進攻的消息後，第6軍團司令部未能命令仍在斯大林格勒市內的第16及第24裝甲師前往支援羅馬尼亞軍，而以作爲預備隊第48裝甲軍代替.
兵力被嚴重削弱及缺乏裝備的第48裝甲軍只有少於100輛可使用的現代化坦克應付蘇軍的裝甲部隊。而且由於缺乏汽油和裝備，指揮官被迫將失去坦克的車組編入步兵連隊作戰;第22裝甲師是該軍組成單位之一，在隨即發生的激戰中幾乎被全殲。第22裝甲師只能投入不到30輛坦克參加戰鬥，很快損失得只剩下1個裝甲連。羅馬尼亞第1裝甲師被配屬到第48裝甲軍，在與它的德軍軍級指揮官失去聯絡後，與蘇軍第26坦克軍交戰並在11月20日被消滅。當蘇軍繼續向南推進時，很多車組受到正在惡化的暴風雪影響，比如積雪遮住火炮瞄準器;坦克在雪地上失去附着力而失控滑行，導致車組成員撞斷臂膀也毫不罕見。但是，暴風雪亦同時阻礙了德軍各軍之間的合作。
羅馬尼亞第3軍團在11月19日晚上開始被擊潰，蘇聯第21軍團及第5坦克軍團俘獲了27,000名羅馬尼亞士兵—相當於3個師的兵力然後並繼續向南推進。蘇軍騎兵被用於鞏固突破口，切斷羅馬尼亞人與意大利第8軍團之間的聯繫，及阻止任何對蘇軍側翼的反攻。當紅軍空軍轟炸掃射後撤的羅馬尼亞士兵時，德國空軍只能作微不足道的反擊.原本在德軍第376步兵師側翼的羅馬尼亞第1騎兵師後撤，令蘇聯第65軍團得以繞過德軍的防線。當德軍在11月19日稍晚作出迴應時，對第6軍團南翼的另一次進攻開始了。
攻擊德軍南翼日
11月20日早上，蘇聯最高統帥部打電話給斯大林格勒方面軍司令員安德烈·葉廖緬科，詢問他是否會根據時間表準時在早上8時發動他這部分之攻勢，葉廖緬科回答只會在濃霧消散後才展開攻勢。由於未獲方面軍總部通知，只有第51軍團準時開始炮火準備，其它部隊卻收到命令將攻擊開始時間推遲至早上10時。進攻開始後第51軍團攻擊了羅馬尼亞第6軍，俘獲很多戰俘。當第57軍團在10時加入攻擊時，情況已變得非常適合運用方面軍的裝甲部隊。德軍第279步兵師眼見其羅馬尼亞盟友被突破而無所作爲，但是當試圖鞏固最早的攻勢打開的突破口時，誤會和缺乏指揮令蘇軍第4及第13機械化軍進展緩慢。
發現這一情況，德軍迅速命令該地區唯一的預備隊，第29裝甲擲彈兵師發動反擊。雖然在反擊初期數次戰勝蘇聯裝甲部隊，羅馬尼亞軍的崩潰迫使該師在南線停止進攻，轉入防禦。第29裝甲擲彈兵師的反攻令紅軍付出了大約50輛坦克的代價，令蘇軍指揮官擔憂其左翼之安全，但是，該德軍師之重新部署導致到該日日終時，只有羅馬尼亞第6騎兵團位於前進中的蘇軍與頓河之間。
行動繼續:
當斯大林格勒方面軍在11月20日展開其攻勢時，蘇聯第65軍團繼續對德國第6軍團北端側翼的德國第11軍施加壓力。紅軍第4坦克軍從正面壓倒德國第11軍，同時第3親衛騎兵軍攻入德軍後方。德軍第376步兵師及奧地利第44步兵師被重新部署至側翼以迎擊蘇軍，但是因缺乏汽油而延誤。德軍第14裝甲師剩餘的裝甲團殲滅了試圖實施迂迴的蘇聯第3親衛騎兵軍的1個團，但其反坦克炮陣地被蘇軍突破，傷亡慘重。在這日日終時蘇聯第1坦克軍已經迫使德國第48裝甲軍後撤，而蘇聯第26坦克軍則攻佔位於斯大林格勒西北大約130千米(81英里)的佩萊拉佐夫斯基鎮。
紅軍之攻勢在11月21日仍然持續，斯大林格勒方面軍已突入德軍防線50千米(31英里)。這時在北面剩下的羅馬尼亞軍單位已被分割包圍、逐個消滅，紅軍開始攻擊德國第4裝甲軍團及第6軍團之側翼。德軍第22裝甲師，雖然嘗試發起1次小型反攻，但兵力已被消耗到相當於1個連的規模，被迫向西南撤退。蘇聯第26坦克軍，消滅了羅馬尼亞第1裝甲師的大部分兵力後繼續向西南進攻，並未消滅留在身後的羅馬尼亞殘兵，即使羅馬尼亞第5軍的殘部已經重組並建立堅固防線，等待德國第48裝甲軍的救援。這天德國第6軍團司令弗里德里希·保盧斯上將接到報告說蘇軍距離他的總部只有少於40千米(25英里);加上已沒有剩餘部隊可以阻止蘇軍在南方的進攻。在南面，經過短暫的停頓後，蘇軍第4機械化軍繼續向北進攻，清除在該地區數個城鎮的德國守軍，直指斯大林格勒。意識到斯大林格勒城內及附近的德軍面臨危險，希特勒命令在該地區之德軍全面防守各個方向，並將頓河與伏爾加河之間的部隊劃爲“斯大林格勒要塞”，斷絕了第6軍團突圍的希望。第6軍團、其它軸心國單位及大部分第4裝甲軍團之德軍單位被困在蘇軍日益壯大之包圍圈中，只有第16裝甲擲彈師嘗試作突圍行動。由於當蘇軍之坦克軍嘗試沿德軍南翼擴大突破口時，步兵與坦克之間缺乏協同，令大部分羅馬尼亞第4軍團之士兵逃出了包圍圈。
11月22日蘇軍開始渡過頓河向卡拉奇鎮進攻，防守卡拉奇之德軍大部分由維修及補給人員編成，他們直至11月21日才知道蘇軍的攻勢，卻仍不知道進攻之蘇軍實力如何。攻佔卡拉奇的橋樑之任務交由第26坦克軍負責，他們利用2輛俘獲的德軍坦克及1輛偵查車進逼併向守衛開火。上述蘇軍在22日上午突入市內、戰鬥至下午14時左右逐出守軍，令他們及第4坦克軍得以與從南面而來的斯大林格勒方面軍第4機械化軍在蘇維埃斯基附近會師，對斯大林格勒城內德軍的包圍在1942年11月22日完成。同日蘇軍亦繼續清除包圍圈內羅馬尼亞士兵殘餘的袋形陣地，例如由羅馬尼亞第5軍建立的一段。
戰鬥直至11月23日，德軍再次徒勞地嘗試打破包圍。此後包圍圈內的軸心國人員移向東面的斯大林格勒以避開蘇軍坦克，逃離包圍圈的一部分則向西退避，逃向德軍及其它軸心國部隊之陣地。
