斯大林格勒战役在7月中旬打响。
8月27日，朱可夫又被斯大林从前线召回莫斯科。深夜，朱可夫驱车抵达克里姆林宫，斯大林向他介绍了南方的情况，德军可能攻击斯大林格勒，北高加索的情况也很糟。国防委员会决定任命朱可夫担任最高统帅的副手，派他到斯大林格勒组织南方战场的防御和反攻。
至9月13日，德军突破斯大林格勒城南的伏尔加河，把城内的苏联第62集团军和方面军的其他部分隔离开来。9月13日到11月18日，城内展开了拼死的搏斗。
朱可夫到达斯大林格勒前线后，立即实施了最高统帅部所要求的部分反击，但由于红军反击力量非常薄弱，收效甚微。随后朱可夫和华西列夫斯基仔细研究了斯大林格勒的形势，向斯大林建议，苏军现在应转入积极防御使敌人疲劳，然后发动一个规模巨大的反攻，扭转南方战场的形势。朱可夫还建议将反击的重点对准由力量较弱的德国仆从军队罗马尼亚军队防守的斯大林格勒集团侧翼。朱可夫认为随着时间的推移，形势会变得对苏军有利，因为苏军战略预备队的组织和训练需要时间，这一工作到11月中旬才能完成。而德军兵力不足，战线过长，没有足够的战略预备队，因此他们不可能完成在北高加索、顿河、伏尔加河地区的南方战线的战略目标。斯大林同意了朱可夫的分析和建议，现在，他对他的这位副手的卓越的军事才能和对全局的深刻洞见以及临危不惧的品格，已经给予了最大程度的信任。在此期间，朱可夫频繁往返于斯大林格勒前线和克里姆林宫之间，会同斯大林和华西列夫斯基制定了庞大而出色的斯大林格勒反攻战役计划。