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意志军虚弱的外侧来将意志军包围在勒戈市区。十一月十三日，沈约、文昊批准了朱夫和华西列夫斯基拟制的反攻计划，并亲自给这个计划取代号为“天王星行动”，这与针对意志军中央军群的“火星行动”相呼应。该计划规定：西南方面军由瓦杜丁中将指挥，其任务是从顿河西岸的谢拉莫菲维奇和克利茨卡亚地域桥头阵地实施主攻，突破意志军第三集团军防御，直插顿河东岸的卡拉奇；勒戈方面军由叶廖上将指挥，其任务是从勒戈南面向西北突击，突破意志军第四集团军防御，与西南方面军在卡拉奇会师，完成对意志军第六集团军的合围；顿河方面军由罗科索夫斯基中将指挥，其任务是从勒戈西北面向东南实施辅助性突击，掩护西南方面军的主攻。反攻日期定为：西南方面军和顿河方面军为十一月十九日，勒戈方面军为十一月二十日。
十一月十九日，罗斯-宋联军开始实施天王星行动。罗斯-宋联军图瓦京的西南方面军和罗科索夫斯基的顿河的方面军在纷飞的大雪中发起了反攻，瓦杜丁中将指挥的主攻部队包括整整三个集团军，一共由十八个步兵师，八个坦克旅，两个摩托旅，六个骑兵师和一个反坦克旅组成，并得到空军第二，第十七集团军支援。负责防卫意志军第六集团军侧翼安全的第三集团军，由于在数量上处于绝对劣势并且缺乏精良装备，仅仅在战斗发起一天之内其阵地便被罗斯-宋联军突破。
与此同时，罗斯-宋顿河方面军实施了两个辅助突击，以第六十五集团军从克列茨卡亚以东地区向东南突击，以第二十四集团军从卡恰林斯卡亚地区沿顿河左岸向韦尔佳奇方向向南突击，割裂顿河小弯曲部意志军与勒戈意志军的联系。罗斯-宋第六十六集团军在勒戈以北地区原地防御。罗斯-宋顿河方面军得到宋空军第十六集团军支援。
十一月二十日，罗斯-宋联军叶廖的勒戈方面军第五十一、五十七、六十四集团军也在南部转入反攻，突破了防卫该地区的意志军第四集团军的防线，其主要由骑兵组成的部队迅速被歼灭。此后罗斯-宋联军迅速向北直趋卡拉奇。二十二日，罗斯-宋西南方面军开始分批渡过顿河。十一月二十三日，罗斯-宋西南方面军和勒戈方面军在卡拉奇会师，从而完成了对勒戈的包围。十一月三十日，罗斯-宋联军三个方面军将意志军第六集团军的五个军二十二个师共约二十七万人合围在勒戈一千五百平方公里的地域内，第六集团军只有约五万人的部队被分割在包围圈之外。
当意志军最高统帅部接到罗斯-宋联军发起反攻的消息后，陆军总参谋长蔡茨勒将军力劝韩柯下令司炉撤出勒戈。然而，空军司令林格元帅却向韩柯保证说，他可以保证空军有能力通过“空中桥梁”为第六集团军的空中补给。事实证明意志国空军根本没有提供如此大规模部队的供给的运输能力，其每天三百吨的运输上限也无法满足每天七百吨的需求。但韩柯仍然支持林格的计划，韩柯遂命令司炉坚守阵地，第六集团军必须留在勒戈，并命令他这个集团军今后改称“沈约-文昊堡垒”集团军。
由于恶劣天气和罗斯-宋联军防空火力，空投计划很快就遭受失败。据统计，意志军只得到10%左右的所需物资，第六集团军渐渐感受到饥饿的威胁。另一面，罗斯-宋联军在不断加强对勒戈的包围圈，并开始缩小包围圈的行动。
十一月二十一日，韩柯下令将曼施泰因元帅的第11集团军扩建为顿河集团军群，由曼施泰因元帅任司令，并把司炉第六集团军、霍特第四装甲集团军和第三、第四集团军交与他指挥。韩柯在命令中指示：
“顿河集团军群当前的任务，就是使敌军的攻势停顿，并夺回原已失去的阵地。”曼施泰因认为，意志军唯一成功的机会在于第六集团军从勒戈向西南突围，霍特第四装甲集团军则从勒戈以南的科捷尔尼科沃向东北进攻，夹击罗斯-宋联军叶廖的勒戈方面军，然后再旋转过来攻击罗斯-宋联军瓦图京的西南方面军的右翼。但十一月三十日，韩柯在一次公开演说中表示决不会从勒戈撤退，并且再次强调被围困的部队决不能投降，而曼施泰因必须杀开一条血路，打到勒戈。
曼施泰因元帅怀着沉重的心情，发起了代号为“冬季风暴”的反攻。意志军以霍特第四装甲集团军为先导，于十二月十六日突破了罗斯-宋联军第五十一集团军在阿克赛河上的防线。至十二月十九日，意志军第四装甲集团军所属的第五十七装甲军已突进到离南面包围圈三十公里以内的地方。此时，曼施泰因发现自己也有被数倍于己的罗斯-宋联军包围的危险。于是，他决定不顾韩柯的将令，下令司炉立即向南突围与第四装甲集团军会合。然而司炉在没有接到韩柯的直接命令之前，没有突围的意图，他以燃料不足为由拒绝了曼施泰因的命令，放弃了这最后一次机会。
十二月二十七日，罗斯-宋联军发动强大反击将意志军霍特第四装甲集团军击退两百公里，终于使其退回了原来的阵地，迫使意志军统帅部最后放弃解救被围第六集团军的企图。曼施泰因的“冬季风暴”宣告失败。