1942年7月，德国B集团军群在空军支援下向斯大林格勒突进，企图攻占该市。8月27日，朱可夫在形势极其危急的时刻被斯大林召回莫斯科，出任苏联第一副国防人民委员和最高统帅部副统帅，作为最高统帅部代表被派往斯大林格勒加强领导。最高统帅部代表同斯大林和最高统帅部其他成员有着密切联系，对战场决策负有主要责任并协调整个战区的作战行动。朱可夫和苏军总参谋长华西列夫斯基在组织斯大林格勒方面军反突击的同时，首先建议以积极防御来疲惫敌人，再发动反攻以改变该区的战略形势；继而提出初步的反攻计划：首先突破防御，合围德军斯大林格勒集团，然后歼灭被围德军，并制止德军解围企图。建议和计划得到斯大林批准。负责攻城的德国第6集团军和第4装甲集团军尽管在苏军不断实施的反突击中损失惨重，仍于9月下旬攻入斯大林格勒郊区和市区。斯大林格勒军民与敌展开长期的激烈巷战，朱可夫和最高统帅部则积极部署反攻。到11月中旬，德军的进攻已成强弩之末。11月19日，在朱可夫和华西列夫斯基的协调指挥下，西南方面军、顿河方面军和斯大林格勒方面军由空军协同对B集团军群发起反攻。

反攻旨在以两路部队粉碎敌各突击集团的掩护部队，并沿卡拉奇、苏维埃茨基向心发展进攻，围歼直接在斯大林格勒附近作战的敌军主力。11月23日，西南方面军和斯大林格勒方面军的快速兵团在卡拉奇、苏维埃茨基和马里诺夫卡地域会师，合围了德国第6集团军全部和第4装甲集团军一部共33万人，建立起巩固的对内对外正面攻势，而在拉斯波平斯卡亚被围的罗马尼亚重兵集团即告投降。12月12日，苏军在科捷利尼科夫斯基地域击溃企图解围的数个德国装甲师，而顿河中游的苏军展开的进攻则迫使德军放弃解围的企图，为肃清被围德军创造了有利条件。1943年1月，顿河方面军开始实施歼灭被围德军的战役。2月2日，第6集团军司令保卢斯元帅被迫率部投降。法西斯集团在斯大林格勒会战中损失约150万人，占其苏德战场总兵力的1／4。斯大林格勒会战的胜利标志着苏德战场乃至整个第二次世界大战的根本转折，法西斯集团已经丧失战略主动权。

　　斯大林格勒会战大局既定，朱可夫于1942年12月下旬与伏罗希洛夫制定在列宁格勒地域实施相向突击以打破德军封锁的计划，协调列宁格勒方面军和沃尔霍夫方面军的作战，在空军航空兵和海军波罗的海舰队的支援下，于1943年1月18日打破对列宁格勒的封锁。同日，朱可夫被授予苏联元帅军衔。