Контрнаступательная операция советских войск началась 19 ноября мощнейшей 80-минутной артподготовкой, за которой последовала атака сухопутных сил при поддержке авиации. Удар с севера был нанесён сразу на большую глубину — в 100 километров (с плацдарма на Дону в районе Клётская-Серафимович до Калача) — до этого в ходе Великой Отечественной войны подобных по глубине удара операций Красная Армия не осуществляла. С юга удар наносился механизированными корпусами по линии от озёр Цаца и Барманца до Калача с ответвлением на восток — на Котельники.
Промедление с началом операции, её откладывание (как предлагал генерал В.Т. Вольский) было очень опасным, поскольку немцы выдёргивали резервы для защиты своих позиций буквально отовсюду. Но главным их козырем была 6-я танковая дивизия, которая была выведена на запад после битвы под Москвой, переформирована и получила новую бронетехнику. Она выдвинулась на сталинградский фронт «подпирать» плацдармы 3-й румынской армии в районе Клётская-Серафимович — то есть туда, где её появление было бы самым неприятным. Но, поскольку на момент начала операции «Уран» 6-я танковая дивизия находилась под Брестом, к фактическому началу контрнаступления успеть не смогла. Немецкая 22-я танковая армия к месту сражений успела, совершив 250-километровый марш-бросок по обледенелым дорогам, однако прибыли только немецкие танки, у чешских неожиданно стала портиться электропроводка (есть версия, что её погрызли полевые мыши).
При этом немецкое командование, понимая, что советские войска готовят в этом районе операцию, масштаба удара не предугадало. Тем не менее 3-я румынская армия всё же получила существенное усиление в вооружении — противотанковые средства (гранатомёты кумулятивных стандартов), артиллерию (французские пушки 38-мм на лафете PaK-97, стрелявшие кумулятивными боеприпасами), подошли и сапёрные подразделения. Ударной силой дивизии «Великая Румыния» были чешские танки 35T (Skoda R-2), имелись у румын и немецкие танки, однако инструкторы незадолго до начала «Урана» покинули плацдарм, и использовать немецкие бронемашины по-настоящему не получилось. В танковых боях советские Т-34 имели над румынами большое преимуществе и ожидаемо разгромили противника.
Была создана большая часть внешнего фронта окружения, удаление которого от внутреннего составило 40—100 км, образовался котёл для почти трёх сотен тысяч неприятелей. На следующий день, 24 ноября, войска Юго-Западного фронта, разгромив окруженные в районе Распопинской румынские части, взяли 30 тысяч пленных и много техники. Протяжённость немецкого фронта сократилась до 200 километров. После этого Паулюс принял решение немедленно выводить войска из Сталинграда под угрозой окружения. Гитлер с ним в начале согласился, однако затем Геринг переубедил его, пообещав, что силы «Лювтваффе» снимут угрозу «котла».
Как и все победы советской армии, успех операции «Уран» был невозможен без героизма и доблести советских солдат. Утром 23 ноября старший лейтенант Н.А. Лебедев, уроженец деревни Вдовино Чухломского района Костромской области, с двумя другими танками ворвался на хутор Платоновский (ныне Калачёвский район Волгоградской области), выбил оттуда превосходившего его в силах противника и продолжил его преследование. В ходе дальнейшего боя бесстрашный танкист пал смертью храбрых. Звание Героя Советского Союза ему было присвоено 4 февраля 1943 года посмертно.