Те данные, которые не могли быть проигнорированы, были просто неверно истолкованы получателями разведсводок. Подготовка советского наступления против 3-й румынской армии была очевидной. Однако считалось, что основной целью этого наступления будет прерывание железной дороги, подходящей к Сталинграду с запада. Немецкие аналитики считали, что такое наступление могло быть предпринято Красной Армией с ограниченной целью: заставить 6-ю армию отвести свои главные силы от самого Сталинграда. С целью парирования этого наступления немецкое командование вывело в резерв управление XXXXVIII танкового корпуса генерала Гейма, которому были подчинены 22-я танковая дивизия и 1-я румынская танковая дивизия.

В связи с неготовностью авиации начало операции «Уран» было отложено с первоначально назначенных дат. В окончательном варианте наступление Юго-Западного и Донского фронтов было решено начать 19-го, а Сталинградского фронта — 20 ноября.

Утром 19 ноября в 8.50 утра после 1 часа 20 минут артиллерийской подготовки атаки войска Юго-Западного и Донского фронтов перешли в наступление. Действия артиллерии в период артиллерийской подготовки затруднялись из-за сильного снегопада и утреннего тумана. Непосредственная авиационная подготовка атаки в полосе наступления ударных группировок фронтов ввиду плохой погоды не была осуществлена. Плохая погода также не позволила развернуть активные действия воздушных армий днем 19 ноября. Однако если для операции «Марс» плохие погодные условия стали во многом роковыми, то для «Урана» они не сыграли существенной роли. Противником советских войск была недавно сформированная румынская армия. Только небольшая ее часть имела боевой опыт. Еще осенью 1941 г. под Мелитополем румынская пехота продемонстрировала свою храбрость, сочетавшуюся, однако, с малой устойчивостью к танковым атакам. Противотанковая оборона румынских войск была крайне слабой как по техническому оснащению, так и по тактике. Перемоловшей сотни советских танков обороны немецкой пехоты, начиная с вооруженных связками гранат и теллер-минами пехотинцев и заканчивая поставленными на прямую наводку 88-мм зенитками, на направлении главного удара «Урана» не было.

В силу всех этих причин советские войска уже в первый день операции вошли в оборону румынской пехоты, как раскаленный нож в масло. 5-я танковая и 21 -я армии Юго-Западного фронта в первый же день наступления прорвали тактическую зону обороны противника. Однако отсутствие авиационной подготовки и затруднение с корректировкой артиллерии заставили ввести в бой уже в середине первого дня с целью завершения прорыва танковые корпуса. Выполнив эту задачу с хода, танковые корпуса продвинулись на 30—35 км в глубину построения войск противника и вышли в районы Медвежьего, Перелазовского и Манойлина. Войска правого фланга 65-й армии Донского фронта в первый день операции вклинились в оборону противника на 3—5 км.

Следующим ходом было сокрушение оперативных резервов противника. На следующий день советские войска, развивая наступление, на полном ходу врезались в XXXXVIII танковый корпус. Советская разведка не вскрыла появление 22-й танковой дивизии немцев, и столкновение с ней было в значительной степени неожиданным. Не ввязываясь в бой, 1-й танковый корпус В.В.Буткова свернул на Перелазовский. Отбивать атаки немецких танков предстояло 8-му кавалерийскому корпусу. Танковым корпусам нужно было как можно быстрее двигаться вперед. Борьба с неожиданно появившейся 22-й танковой дивизией согласно приказу командующего армией была возложена на 8-й кавалерийский корпус и подошедшие стрелковые дивизии 5-й танковой армии. 1-й танковый корпус, развивая наступление, к исходу 22 ноября вышел на р. Лиска в 15—20 км севернее ее устья. Менее сильным противником была румынская танковая дивизия. 26-й танковый корпус А.Г.Родина отбросил ее 20 ноября из района Перелазовского к востоку и, продолжая наступление на юго-восток, к утру 22 ноября выдвинулся на Дон в районе Калача. Здесь корпус захватил переправу через Дон. Наступавший в полосе 21-й армии 4-й танковый корпус А.Г.Кравченко к вечеру 21 ноября вышел к Дону севернее Калача. За спиной 6-й армии постепенно выстраивался заслон, пока еще неплотный и состоящий из подвижных соединений.

Стрелковые войска 5-й танковой и 21-й армий ударами частей своих внутренних флангов охватили войска двух румынских корпусов в районе Распопинской, а остальные их силы, используя успех танковых корпусов, быстро продвигались вперед.

Советские войска начинали чувствовать вкус «молниеносной войны». Характерный эпизод произошел в 26-м танковом корпусе при захвате переправы через р. Дон. Командир корпуса создал передовой отряд под командованием командира 14-й мотострелковой бригады подполковника Филиппова. В состав передового отряда вошли две роты мотострелковой бригады, 5 танков 157-й танковой бригады и бронемашины от 15-го разведывательного батальона. В ночь на 22 ноября передовой отряд двигался в глубоком тылу противника на полном ходу с включенными фарами. Охрана переправы приняла наступающие советские войска за свои части. Передовой отряд беспрепятственно подошел к переправе, перебил охрану и захватил мост, заняв оборону на нем.

Днем 22 ноября 26-й танковый корпус главными силами вышел к Дону в районе Калача, переправив на восточный берег 19-ю танковую бригаду. Параллельно 26-му корпусу двигался 1-й танковый корпус.

На следующий день после начала наступления Юго-Западного фронта, 20 ноября 1942 г., перешли в наступление ударные группировки Сталинградского фронта. Переход в наступления осуществлялся поочередно, по мере того как рассеивался туман. Так, ударные группировки 51, 57-й и 64-й армий начали атаки соответственно в 8.30, 9.30 и в 14.30. Наступлению пехоты предшествовала артиллерийская подготовка атаки длительностью в 57-й армии 1 час 15 минут и в 51-й армии 60 минут. Непосредственная авиационная подготовка атаки в полосе Сталинградского фронта, так же как и в полосах Юго-Западного и Донского фронтов, из-за плохой погоды не проводилась.

Поскольку противник был тот же самый, что и на севере — румынская пехота, — наступающие соединения фронта уже в первый день прорвали оборону противника южнее Сталинграда. Усугубило хаос в румынской пехоте то, что она находилась в процессе передачи из 4-й танковой армии немцев в управление 4-й румынской армии. В достигнутый в первый день прорыв командованием фронта были введены 13-й и 4-й механизированные и 4-й кавалерийский корпуса.

4-й механизированный корпус В.Т.Вольского к 12.00 22 ноября достиг рубежа Мариновка, Советский и 23 ноября установил связь с 4-м и 26-м танковыми корпусами Юго-Западного фронта, овладевшими в этот день Калачом. Оперативным резервом немцев на этом направлении была 29-я моторизованная дивизия. В первый день советского наступления ее собирались направить на север, в подчинение XXXXVIII танкового корпуса. Однако начало советского наступления к югу от Сталинграда вынудило бросить дивизию в контрнаступление. После первого удачного контрудара дивизия была отброшена на запад и вынуждена перейти к обороне. Противником 29-й моторизованной дивизии был 13-й механизированный корпус. Наступая далее, корпус вскоре вышел на реку Червленная.

Одновременно началось образование внешнего фронта окружения. 4-й кавалерийский корпус генерал-майора Т.Т.Шапкина уже в ночь на 21 ноября выдвинулся в район Абганерово и к исходу 23 ноября — на рубеж Аксай, Уманцево. Непосредственно за корпусом, а также левее его в направлении на Садовое выдвигались стрелковые дивизии 51-й армии.