此时，史达林格勒城下的斗争，对敌人来说，是一天比一天，一小时比一小时更严酷了。
11月20日，史达林格勒方面军转入进攻。按计划它的突击集团要实施两个突击：右翼内第64、57集团军实施的突击，左翼由第51集团军实施的突击。
11月20日清晨，史达林格勒草原上飘着一层薄薄的透明晨雾。在芦苇和水草丛生的湖间地带，在高低不平的地形上正藏着时刻准备投入战斗的苏军坦克和各式火炮。步兵也在出发阵地准备发起仲击。前面，沿红军城至通杜托沃一线有一排小高地，高地山嵴就是敌人的防御前沿。炮火准备应在8时开始，但雾大，能见度不超过200米。雪也开始下起来了。方面军司令员a·n·叶廖缅科将军在第57集团军的前沿观察所里(114·3高地)。在这之前，莫斯科曾通过高频电话询问过他：
“统帅部很耽心，你们能准时开始吗?”总参谋部作战部来电问到。
a·n·叶廖缅科回答说，一切准备完毕，如果雾能散，进攻将按指定时间准时开始。但是因雾没能准时散去，方面军司令员将炮火准备的时间往后推了一个小时，然后又推迟了一个小时。雾这时才开始逐渐散开。“9时30分发出开始炮火准备的信号。这样，史达林格勒方面军反攻的开始时间由于大雾往后推迟了两个小时。最先开炮的是‘卡秋沙’。紧接着，各种火炮也发出了轰轰隆隆的声音。很难用语言表达在进攻开始之前听见交响乐级的排炮轰击声时的感情。但其中最主要的是为祖国的强大和对胜利充满信心而感到骄傲的感情。昨天，我们还在紧咬双唇告诫自己：‘决不后退一步！’而今天，相国在命令我们前进。史达林格勒人久已嚮往的事情终于实现了。进攻！这对深知撤退痛苦和在防御中经过几个月浴血奋战的人来说，没有比这更叫人高兴的事了”。
炮火准备是按照经过周密考虑和认真准备的计划实施的。在火箭炮m——30齐射之后，各类火炮开始进行40——75分钟的排炮轰击。第64集团军的炮火准备和进攻开始得都要晚一些。猛烈的急袭射击开始是针对敌防御前沿和浅近纵深火力点的。炮火准备后阶段包括压制和消灭暴露目标达两个时节，在对前沿进行急袭射击时，交替进行两次火力假转移。火力急袭是根据具体试射过的目标来计划的，但是天气条件不允许修正射击。对容易观察到的放火力点指派大炮进行直瞄射击。
所有火器完成最后十分钟急袭射击后，步兵兵团在坦克部队的协同下，向敌防御前沿猛扑了过去。这样，在第51集团军突破地段上，步兵第126、302师的行动得到了机械化第4军坦克第158和55团的支援。苏军坦克和步兵藉助炮弹爆炸引起的烟雾和尘土的掩护，摧毁了敌前沿防御阵地。
第57集团军用步兵第422、169师二个师的兵力突破了萨尔帕和察察湖之间的敌军防线，并向南和西南实施突击。敌人被迫撤退到冬年卡亚山谷、朔沙山谷、五十五公里会让站和英罗佐夫山谷地区。第57集团军所属各部队完成当前任务后，调转方向向“三·八”集体农庄扑去，继尔扑向西北方向，从西南面包围敌史达林格勒集团。
第64集团军命令自己的左翼兵团——近卫步兵第36师、步兵第204和38师转入进攻。该集团军突破耶尔希以南防线上的敌防御阵地后，于日终前推进了4至5公里，肃清了安德烈耶夫卡村内的敌人。
第51集团军主力从察察湖、巴尔曼察克湖的湖间地带向着洛多维托耶，上察缅津斯基、苏维埃农庄总方向进攻。第5l集团军近卫步兵第15师为从北面保障主力的行动，从萨尔帕、察察湖湖间地带对“伏尔加河沿岸”国营农场方向上的敌人实施了突击。
11月20日下午，当史达林格勒方面军的突击集团从三个地段上突破敌人的防御比方面军往这些突破口上投入了t·n·塔纳希申上校指挥的机械化第13军、b·t·沃尔斯基坦克兵少将指挥的机械化第4军和t·t·沙普金中将指挥的骑兵第4军。方面军快速部队从西北和西南方向奔向敌人的防御纵深。
16时，第57集团军的机械化第13军分成两个梯队进入突破口，并成两路纵队向纳里曼方向移动。日终前，他们前进了10至15公里。前进速度远远低于计划速度(30至40公里)。汽车不够，摩托化步兵只得步行。敌人从“b”集团军群预备队里调来德军摩托化第29师对付我进攻部队，进行抵抗。
13时第51集团军的机械化第4军，以一个梯队进入了近卫步兵第15师和步兵第126师进攻地带内的突破口。22时，骑兵第4军紧跟着机械化第4军也进入了突破口，在西方向上发展进攻。在苏军进攻部队的打击下，在这一地带作战的罗马尼亚步兵第6军遭到了巨大损失，它逃窜到了阿克赛地区。在小杰尔别特地区以南担任防御任务的罗马尼亚步兵第7军的侧翼完全暴露了。
史达林格勒方面军转入进攻这一举动给敌人留下了一个沉重的印象。例如来自北面的打击，第6集团军指挥部似乎还能预见到的话；那末打击发生在南面，它就感到突然了。b·亚当也是这样讲的。
接到火速去第6集团军司令部的命令后，亚当急忙赶到那里。见到了保卢斯、斯密特将军和其他人。“集团军司令同参谋长、作战处长、侦察处长站在挂在墙上的地图旁边。正在分析新情况。我紧张地注视着地图上的新情况。