“天王星”行動是斯大林格勒戰役的一部分，蘇軍的目的是通過兩翼的鉗形攻勢，包圍進攻斯大林格勒的軸心國部隊，為後續的圍殲戰創造條件。
自1942年7月17日斯大林格勒戰役開始，到了11月時德軍第6軍團已經攻佔了斯大林格勒的大部分地區，似乎只差那麼一步就能完全佔領這座城市。但是蘇軍仍然還在頑強抵抗，用慘烈的巷戰把第6集團軍困在斯大林格勒進退不能。而連續作戰數月的德軍也已極度疲憊，損耗嚴重。隨着天氣開始轉冷，沒有做好過冬準備的德軍遭到進一步削弱，不管是士氣還是戰鬥力都大不如前了。同時，德軍對斯大林格勒進攻時，其側翼拉得很長。但是德軍兵力不足，所以防守德軍側翼的很多部隊都是羅馬尼亞，匈牙利和意大利等非德國部隊，他們不管是戰鬥意志，戰鬥技巧還是武器裝備都不能與德軍相比。德軍只有第48裝甲軍以及第29裝甲擲彈兵師兩支部隊作為預備隊，而且這兩支部隊還都不滿員。這就給蘇軍創造了機會。
蘇軍的計劃十分大膽，準備集中優勢兵力從南北兩翼進攻德軍，徹底包圍在斯大林格勒的軸心國軍隊。這對於1942年的蘇軍來説是一鍋“夾生飯”，因為蘇軍之前從來沒有實行過這麼大規模的計劃，也沒有十足把握能包圍並吃掉這麼多的德軍。但是最後經過朱可夫和華西列夫斯基仔細研究，認為計劃可行。斯大林隨即批准了該計劃。蘇軍為了“天王星計劃”做了充足的準備，在德軍的兩翼秘密部署兵力，調集足夠優良的裝備和補給，佈置好戰術，進行偵察，甚至不惜一而再地推遲行動日期，以做到萬事俱備。而德軍雖有察覺兩翼蘇軍有異動，但是一來德軍認為蘇軍沒有反擊的兵力，二來認為自己很快就能攻下斯大林格勒，所以並未放在心上。
斯大林格勒守軍的頑強抵抗為蘇軍爭取了時間，經過多次推遲後，11月19日，蘇聯北翼部隊率先發難，在濃霧和大雪的掩護下，先用3500門火炮對當面的軸心國軍隊進行了長達80分鐘的炮火準備。然後對羅馬尼亞軍隊發起了進攻，羅馬尼亞部隊當即潰敗，蘇軍一路突進，德軍預備隊雖然試圖進行反擊，但是兵力不足，攔不住準備充分的蘇軍機械化部隊，很快被擊退。而在稍晚的11月20日，南翼的蘇軍在濃霧稍退之後也發起了攻擊，更令本就十分有限的德軍預備隊顧此失彼，最後哪個都救不下來。南翼蘇軍也成功突破了當面軸心國軍隊的防禦。進展非常迅速，甚至有蘇軍坦克打開着車燈就奪取了敵軍駐守的橋樑——守軍根本就不信有蘇軍能出現在這裏，還以為是己方的坦克。
戰役發起四天後的11月23日，南北兩翼蘇軍於卡拉奇會師，成功包圍了頓河以東的290,000名軸心國部隊。其中包括德國第6集團軍所屬的4個步兵軍、一個裝甲軍、兩個羅馬尼亞師的餘部、一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、2000門火炮或迫擊炮及10000輛軍車。這些軸心國部隊包圍在一個東至西50千米和由南到北40千米的包圍圈裏。反應過來的軸心國部隊立刻進行反撲，但是損耗嚴重的德軍和其他軸心國部隊沒有能力打破蘇軍的包圍圈，僅有少量軸心國部隊趁蘇軍包圍網尚未嚴密之時突圍出去
“天王星行動”取得巨大成功，在之前總是被德軍包圍的蘇軍終於讓德軍也嚐到了被包圍的滋味，下一步蘇軍開始加固包圍圈，防止德軍突圍或解圍，然後開始計劃如何吃掉包圍圈裏的軸心國部隊。