Взятию Сталинграда немецкое командование придавало особое значение. Выход к Волге позволял отрезать центральные районы СССР от снабжения хлебом и нефтью и перевести свои армии на снабжение этими ресурсами. 6-ая армия генерала Ф. Паулюса, 4-ая танковая армия генерала Г. Гота, с поддержкой авиации перешли в наступление на город. 17 июля на подступах к городу начались бои. Советским командованием 12 июля был создан Сталинградский фронт. Немецкая группировка имела перевес по технике и по численности. А. Гитлер приказал взять город к 25 числу, но сделать этого не удалось. Неудачи в Крыму и под Харьковом негативно сказались на боевом духе Красной Армии. И. В. Сталин 28 июля издал приказ № 227, который предусматривал карательные меры вплоть до расстрела за отступление без приказа. Изданный документ получил название «Ни шагу назад!».
23 августа немцы прорвались к Волге северо-западнее города. Начались мощнейшие бомбардировки. На улицах развернулись бои. 25 августа в городе было введено осадное положение. Бои продолжались до конца октября. Важнейшими объектами, которые несколько раз переходили из рук в руки, были Мамаев курган, тракторный завод, заводы «Баррикады» и «Красный Октябрь». Практически два месяца обороняли от врага четырехэтажный дом в центре города 24 бойца во главе с сержантом Я. Ф. Павловым.
Войска 62-й и 64-й армий во главе с генералами М. С. Чуйковым и М. С. Шумиловым организовали прочную оборону, сковав в районе Сталинграда войска неприятеля. В конце октября наступление вермахта было остановлено на всем протяжении фронта.
Советское командование разработало план контрнаступления «Уран». 19 ноября силами Донского фронта под командованием К. К. Рокоссовского началось контрнаступление. После мощной артподготовки ударами Донского и Юго-Западного фронтов оборона противника была прорвана. 20 ноября началось наступление войск Сталинградского фронтов, и уже к 23 числу немецкая группировка была окружена (советские войска сомкнули кольцо в городе Калач-на-Дону). Предложение о капитуляции Ф. Паулюс отверг. Более того, 12 декабря он попытался прорвать кольцо в районе поселка Котельниковский, но потерпел неудачу. 10 января 1943 года Красная Армия перешла в новое наступление, в результате которого попало в плен около 90 тысяч солдат вермахта. Ф. Паулюс подписал капитуляцию 2 февраля.
Особую роль в событиях Сталинградской битвы сыграл В. Г. Зайцев — снайпер 62-й армии Сталинградского фронта, Герой Советского Союза. Во время Сталинградской битвы с 10 ноября по 17 декабря 1942 года уничтожил 225 солдат и офицеров германской армии, и их союзников, включая 11 снайперов.
Все промышленные и научные учреждения приступили к перестройке своей работы в соответствии с нуждами обороны. Указом «О режиме рабочего времени рабочих и служащих в военное время» от 26 июня устанавливался 11-часовой рабочий день, отменялись отпуска, водились обязательные сверхурочные работы. Также активно использовался труд заключенных.
В деревнях положение было особенно тяжелым. Если промышленные рабочие получали стабильный паек, то колхозную продукцию, шедшую на питание армии, отбирали полностью.
С февраля 1942 года были открыты курсы ФЗУ (профессионального обучения) для работы на производстве для женщин и детей, на которых легла основная тяжесть труда. К концу 1942 года военное хозяйство активно набирает обороты, и Советский Союз опережает Германию по уровню производства военной техники и оружия, а главное, по уровню качества.
В условиях отступления Красной Армии в первые месяцы войны встал вопрос о поставках в СССР продовольствия и боеприпасов странами антигитлеровской коалиции. 1 октября 1941 года было подписано трехстороннее соглашение о поставках по ленд-лизу (системе передачи взаймы или в аренду вооружения, боеприпасов, стратегического сырья, продовольствия). Поставки начались в 1942 году по морю или через территорию Ирана. СССР кроме экономической помощи получал еще и политическую поддержку, а также разведывательную информацию. С октября 1941 по июнь 1942 года Красная Армия получила тысячи самолетов, танков и транспортных средств.
Помимо плана «Барбаросса» немецкое командование разработало план «Ост», план покорения народов Восточной Европы.
Ликвидация СССР как единого государства;
Уничтожение некоторых народов Союза и резкое сокращение численности остальных;
«Онемечивание» эстонцев и латышей;
Заселение освободившихся земель немцами.
Основные мероприятия фашистов по плану «Ост»:
Установление на оккупированных территориях режима кровавого террора;
Построение концлагерей на территории Восточной Европы, где умерли миллионы граждан СССР и других стран;
Создание местных органов власти и полиции из перешедших на сторону немцев жителей оккупированных территорий;
Присвоение продовольствия, сырьевых ресурсов и ценностей;
Отправка молодежи в Германию;
Использование населения для разминирования полей и дорог;
Уничтожение военнопленных;
Попытки стравливания между собой разных народов СССР;
Создание Русской Освободительной Армии во главе с генералом А. А. Власовым.
В итоге, на оккупированных территориях на сторону нацистов перешло около миллиона человек. Одной из причин этого стала сталинская антинародная политика, но по мере реализации плана «Ост» в жизнь на оккупированных территориях стали создаваться партизанские отряды и подпольные организации.
Основу первых партизанских отрядов составили попавшие в окружение остатки разбитых частей Красной Армии. В начале 1941 года фронт быстро откатился на восток, что затрудняло попытки прорваться к своим. Поэтому не сдавшиеся в плен советские воины и местные жители, скрывавшиеся от отправки в Германию или не желавшие оставаться под руководством немцев, оседали в лесных районах Белоруссии, Украины и северо-западных областях России.
Диверсии на коммуникациях, разрушение линий связи, дорог, мостов. 14 июля был выпущен приказ «О партизанской рельсовой войне на коммуникациях врага»;
Разгром вражеских штабов и организация побегов военнопленных.
Подпольные организации выпускали листовки и газеты, распространяли сведения о событиях на фронте, уничтожали продовольствие, нередко добывали секретную информацию.
Основные партизанские и подпольные соединения:
отряд Ковпака (действовал от на территории Украины от Путивля до Карпат);
отряд Медведева (Ровненская область и город Ровно). В этом отряде воевал разведчик Николай Кузнецов, уничтожавший глав местного немецкого командования;
Подпольная антифашистская комсомольская организация «Молодая гвардия», действовавшая в 1942 – 1943 годах на оккупированных немцами территориях Украины.
В первые годы войны появляются и контрразведывательные организации, подчинявшиеся высшему руководству СССР. Одной из таких организаций была «Смерш» (сокращённое «смерть шпионам»), которая создала и поддерживала целую систему слежки за гражданами в тылу и на фронте для контроля над инакомыслием.
В это время появляются и националистические группировки в странах Советского союза. Так, например, «бандеровцы» — члены организации украинских националистов, которую возглавлял Степан Бандера. Это название особенно часто употреблялось советской пропагандой, обозначая все украинское националистическое подполье во время и после Великой Отечественной войны, а также украинских националистов за границей и тех, кто состоял на Украине в оппозиции к советской национальной политике.
Особое место годы войны занимали процессы депортации (выселение своих граждан из мест их жительства в другие районы страны) и интернирования (задержание и переселение граждан другой страны). Депортация народов стала одной из форм политических репрессий в СССР. Основными особенностями депортаций как репрессий были их внесудебный характер и перемещение больших масс людей в географически отдалённую, непривычную для них и часто рискованную среду обитания. В 1943 – 1944 годах были проведены массовые депортации калмыков, ингушей, чеченцев, карачаевцев, балкарцев, крымских татар, ногайцев, турок-месхетинцев, понтийских греков, болгар, крымских цыган, курдов — в основном по обвинению в коллаборационизме, распространённому на весь народ. Были ликвидированы (если они существовали) автономии этих народов. Всего в годы Великой Отечественной войны подверглись переселению народы и группы населения около 61 национальности. Реальными же мотивами депортации во многих случаях были конфликты представителей депортированных наций с государством в довоенные годы, геополитические соображения, интриги местных партийных органов, личные прихоти Сталина, этнические предрассудки высокопоставленных лиц и лишь затем — собственно антисоветская деятельность в годы войны.
Наряду с военнопленными получили распространение интернированные лица, то есть граждане, подвергнутые особому режиму ограничения свободы (принудительному задержанию), устанавливаемому одной воюющей стороной в отношении гражданских лиц другой стороны или нейтральным государством в отношении оказавшихся на его территории военнослужащих воюющих сторон.
После победы под Харьковом и захвата Керчи с Севастополем и овладения стратегической инициативой, А. Гитлер 13 июля подписал Директиву №43, которая предписывала немецким войскам начать наступление по двум направлениям — на Сталинград (группа армий «Б») и на Кавказ (группа армий «А»). В августе немецкие части начали стремительное наступление на Кавказ. Захватив Ставрополь, Краснодар, Новороссийск, они достигли Большого Кавказского хребта и водрузили флаг на вершине Эльбруса.
Победа в Сталинградской битве предрешило исход боев на Кавказе. Операция по его освобождения проходила с 1 января по 4 февраля 1943 года. Изначально не получилось окружить и уничтожить северокавказскую группировку противника. В начале января эта группировка начала отходить, боясь окружения. Ее преследовали войска Южного фронта. К середине февраля большая часть Северного Кавказа была освобождена.
Весной 1943 года немецкое командование решило взять реванш за поражение под Сталинградом и переломить исход войны в свою пользу. Во время относительного затишья на советско-германском фронте, продолжавшегося до июля, Германия провела тотальную мобилизацию людских резервов, оснастила армию новейшей боевой техникой — тяжелыми танками «Тигр» и «Пантера», самоходными орудиями «Фердинанд».
Советское командование, разгадав замысел Гитлера, приняло решение об организации обороны. В районе выступа были сосредоточены крупные силы, превосходившие силы вермахта. В короткий срок была выстроена уникальная система обороны, состоявшая из 6 поясов, которые были оснащены орудиями, минометами при поддержке танков.
5 июля 1943 года немцы перешли в наступление крупной танковой группировкой, но неожиданно попали под обстрел артиллерии. Эта мощная артподготовка Красной Армии привела к крупным потерям противника уже на начальном этапе сражения, принявшим сразу масштабный характер. 12 июля в районе деревни Прохоровки произошло крупнейшее в истории танковое сражение, в котором с обеих сторон участвовало около 1200 танков. Враг смог пройти вперед лишь на 12 км, и был остановлен. Советская Армия уже 12 июля перешла в контрнаступление не севере (операция «Кутузов»). 3 августа на южном фланге силами Воронежского (Н. Ф. Ватутин) и Степного (И. С. Конев) началась операция «Полководец Румянцев» (также контрнаступление). 5 августа были освобождены Орел и Курск (в честь этого в Москве был дан первый артиллерийский салют), 23 августа был взят Харьков.
В конце сентября, освободив Левобережную Украину и Донбасс, Красная Армия стремительно форсировала Днепр и захватила плацдармы на правом берегу реки. Шли ожесточенные бои за их удержание. 3 ноября началось наступление на Киев, и уже 6 ноября город был освобожден.
Коренной перелом в войне был достигнут. Стратегическая инициатива полностью перешла к Советскому Союзу (теперь союз решает, куда нападать, а Германия вынуждена предугадывать эти нападения для обороны). Кроме того, перелома удалось достичь во многом за счет того, что было обеспечено военно-техническое превосходство в снабжении действующей армии новейшими видами вооружения, тыл начал активно снабжать фронт (за счет того, что промышленность окончательно перешла на военные рельсы).