Замисел Ставки полягав в тому, щоб нанести зустрічні удари силами трьох фронтів по флангах угрупування противника і розвивати наступ у збігаючому напрямку на Калач [67, с.21]. Танкові і механізовані з’єднання мали бути на вістрі цих ударів, саме вони в короткий термін мали оточити угрупування противника.

У склад Південно-Західного фронту, що наносив удар в південно-східному напрямку входила 5-а ТА, 4-й тк, окремі танкові полки. Війська сусіднього Донського фронту мали 16-й тк і чотири отбр. Сталінградський фронт, який завдавав удару з півдня мав 4-й тк і 13-й тк, вісім отбр і чотири отб. Всього в контрнаступу Червона армія налічувала 1463 танки (за іншими даними - 979), а Вермахт – 675 машин. Тобто, перевага радянських військ в 2,1 рази [69, с.44].

19 листопада війська Південно-Західного і Донського фронтів перейшли в наступ. До середини дня піхота з танками безпосередньої підтримки пройшли 4-5 км і сповільнили темпи. Щоб наростити темп наступу, кинули вперед основні сили 5-ї ТА і 4-й тк. Впродовж першого ж дня тактична зона оборони була прорвана. Наступного дня Сталінградський фронт в такій же ситуації ввів у бій свої рухливі війська в другій половині дня і теж протягом дня вони вийшли на оперативний простір [67, с.22].

Частини 1-го тк з 5-ї ТА розгромили сильний вузол оборони і просунулись до Піщаного, але там втягнулись в бої з 22-ю тд противника. 26-й тк з тої ж армії просувався швидше і до світанку 20 листопада пройшов з боями 35 км і з ходу взяв Перелазовський, але через втрату зв’язку затримався на добу. 4-й тк діяв розрізнено між його колонами з’явився розрив 10-12 км. 21 листопада корпуси досягли району Плесистівського. Вони втратили між собою зв’язок, але німці не мали сил їх контратакувати. 22 листопада наступ продовжився, 1-й тк пройшов за цей день до 80 км, але на рубежі Суровкіно – Ричковський зустрів добре організовану оборону. 26-й тк рухався до переправ через Дон, його передовий загін форсував його і вступив в бої за Калач. В 14 год. 23 листопада місто було взяте. А 4-й тк в той же день в 16 год. зустрівся з частинами 4-го мк Сталінградського фронту біля висілка Совєтський [48, с.81-82].

В зоні дій військ Сталінградського фронту 13-й тк в перший день операції просунувся на 10 км, а 4-й тк змушений був закінчувати прорив тактичної зони оборони військ противника. Наступного дня бригади цього корпусу розбили румунські частини в районі Зети, через день оволоділи Совєтським і 23 листопада з’єдналися з військами Південно-Західного фронту. 13-й тк діяв на правому фланзі і допомагав створювати внутрішній фронт оточення [48, с.83-84].

Так завдяки танковим частинам протягом п’яти днів радянські війська провели швидку операцію на оточення. Результат – 330 тис. бійців 6-ї А і 4-ї ТА потрапили в оперативне оточення під Сталінградом.

Після оточення почався другий етап контрнаступу – зрив спроб противника деблокувати оточені війська. Масштаби застосування танкових військ зросли. Для зриву контрудару і віддалення зовнішнього фронту СВГК вирішила ударом на Тацінську і Морозовськ розбити 8-у італійську, 3-ю румунську армії і тормосінську групу військ. Операція почалась 16 грудня. Наступного дня з Островського плацдарму були введені в бій 18, 7, 24 і 25-й тк – 533 танки, що дозволило прорвати оборону і вийти в глибину. Особливо вдало діяв 24-й тк Баданова – за п’ять днів він з боями пройшов 240 км, прорвався до Тацінської, де знищили базовий аеродром для допомоги сталінградським оточенцям (радянські історики пишуть про 300 знищених літаків, але, скоріш за все, це явне перебільшення). Але корпус був оточений 6-і 11-ю тд противника. Баданов, у якого залишилось 58 машин, зарив танки землею і два дні тримався. Увечері 27 грудня він рішив пробиватись із залишками своїх частин. Танки всі були знищені, вивести вдалось 927 людей [29, с.20-22].

Удар чотирьох танкових корпусів мав хороші наслідки, проте були й недоліки при його організації: відсутність координації між корпусами, що робило неможливим об’єднати їх під загальним управлінням, відсутність зв’язку із арміями. Це призводило до великих втрат. Була наочно продемонстровано необхідність мати крупніше і водночас не менш мобільне з’єднання – танкову армію однорідного складу.

Проте завдяки діям танкових корпусів, деблокуючий удар Тормосінської групи противника не вдався. А от під Котельниковим, зосередивши численну групу військ, в якій нараховувалось 650 танків (проти радянських 329) 4-а ТА готувалась прорвати радянську оборону.

Наступ почався 12 грудня. Головний удар двох тд наносився вздовж залізниці. Назустріч їм висунули 13-й тк. Під Верхньо-Кумським розпочались затяжні бої 55-й тп, який захищав місто, протягом п’яти діб відбив 12 атак противника. По р. Аксай танкові частини разом із піхотою зайняли оборону і тримались три дні, потім три танкові дивізії їх звідти вибили і війська зайняли оборону по р. Мишовка, де тримались до 23 грудня [48, с.90].

З 24-го числа радянські війська перейшли в наступ. 2-й гв, 6-й тк і 7-й тк спільними зусиллями таки перерізали шляхи відступу котельніковського угрупування, а 13-й тк і 4-й мк - вийшли в глибокий тил і не допустили відступу на південний захід. В ході операції 2-й тк змінив маршрут і став наступати на Тормосін. 6-й тк обійшов противника з півдня, а 7-й тк дещо