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。苏军坦克和步兵借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，从西南面包围敌斯大林格勒集团。
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，当斯大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。
斯大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。
在坦克第4集团军作战地域内划有一条粗红箭头，穿过了前沿中央地段。苏军在南方向上也进入了战斗。
保卢斯总结道：
“今天清晨，一阵猛烈的炮火准备之后，敌人向我坦克第4集团军和罗马尼亚第4集团军发起冲击。目前那里的情况还不清楚。红军从北面继续进攻，其左翼在东南方向上向上布津诺夫卡推进。我们应该考虑到，几个小时以后，步兵策11军通向南面的路将被隔断。将给莫罗佐夫斯克——奇尔车站的铁路支线造成极大的威胁”。
亚当谈了谈自己接到通报后的想法。在第6集团军司令部里的人都清楚，苏军已开始夹击了。敌军指挥部企图阻止坦克第14和18军的反攻。“但是，假如这一企图不会得逞，假如我坦克兵团力量十分薄弱的话，那时会怎么样呢？
那时敌人会紧拉绳套，而第6集团军就会被死死套住”。
“我们感到日子可怕，——亚当写道。——各种流言四起。谁也不知道从哪儿来的。谁也不知道信谁的。敌人真的切断了顿河右岸通往奇尔车站的公路了吗？敌人真的占领了莫罗佐夫斯克到顿河的铁路支线了吗？坦克第4集团军全军覆没了吗？陆军总部在消除集团军后方威胁上采取了些什么措施？坦克第48军现在何处？它转入进攻没有?结果如何？我们的神经紧张极了。11月20日傍晚我们终于多少了解到一点我们左邻——坦克第4集团军的情况。敌人从南面突破了德军的防御，并向顿河推进。集团军群指挥部派机械化第29军去封闭突破口，但该师没能抗住苏军的攻势。步兵第4军同罗马尼亚步兵第20师撤退了，现在正在南面作战。有关其它几个在南面的罗马尼亚师的情况一点也不清楚。据最新通报，苏军坦克已直抵坦克第4集团军的指挥所。
事情发生了什么变化呢?我左翼已有一个张得很大的缺口，而现在又在右翼……
敌人越来越多的部队正经我几处被突破的地段穿过防线。进攻军队的先遣部队正迅速抵近。而我们没有任何预备队用来防止这一致命的威胁。
集团军群司令部传来的消息证实，海姆中将指挥的力量薄弱的坦克第48军的反击很快就被打迟了。我们的空中力量本来可以使形势得到缓和一下。由于暴风雪他们没能进行军事行动。从北面进攻的苏军坦克兵团抵达利斯卡河谷后，转向东落直扑卡拉奇。友邻兵团继续向南推进，将从西面经过莫罗佐夫斯克通往顿河和通往奇尔的铁路——唯一的一条补给线——置于直接威胁之下。在敌人面前，通往南方，直到紧靠亚速海顿河河口的道路几乎是敞开的。这意谓着苏军马上就将进入“A”集团军群后方。该集团军群由在高加索作战的坦克第1集团军和第17集团军组成。很明显，假如德军统帅部不讯速采取有效的行动，等待我们的将是一场可怕的灾难”。
西南方面军与斯大林格勒方面军所届各部队最初相距二百公里以上。他们沿自己的进军路线毫无阻挡地前进，以便实现对敌集团的包围。顿河方面军第65集团军所属各兵团在外翼行动，同样在前进，并击溃了敌人的顽固反抗。
11月21日，西南方而军备坦克兵团继续顺利地发展进攻，步兵兵团和骑兵兵团紧跟其后挺进。坦克第26军加满油、补充弹药，等后面部队赶上后于13时整再次开始完成交给他们的任务。坦克军所属部队通过战斗占领了佐托夫斯基、卡尔梅科夫、罗日基居民点，击溃了敌人的反抗并捣毁了与第2l集团军作战的敌集团后方。
11月21日拂晓，坦克第l军的坦克第89旅抵达大顿辛卡，在那里遇到了猛烈的火力抵抗。“在行进间夺取大顿辛卡的所有打算都没取得成功”。坦克第5集团军的步兵兵团向奇尔河推进。近卫步兵第14师和步兵第159师同近卫坦克第8旅一道跟踪追击退却之敌，并占领了戈尔巴托夫斯基。是日，近卫坦克第8旅还协同近卫步兵第47师清除了旧普罗宁、瓦尔拉莫夫斯基中的敌人，并向车尔尼雪夫斯卡亚推进。敌人千方百计妄图阻止坦克第5集团军的部队向奇尔河推进，在大顿辛卡、科罗特科夫斯基、日尔科夫斯基地区，针对我坦克第5集团军中央和左翼组织了顽强抵抗。
第21集团军左翼的坦克策4军从马诺伊林、迈奥罗夫斯基地区出发，负有的任务是于11月21日抵达174·9、178·4高地、“红色畜牧家”国营农场和利波洛戈夫斯基村地区的顿河岸边，并占领渡口。那天，该坦克军粉碎了德国人坦克第14师的反抗后，占领了戈卢宾斯基。第21集团军继续捣毁敌人在上弗米欣斯基，拉斯波平斯卡亚地段上的防御。在集团军右翼进攻的步兵第96、63、333师包围并消灭了拉斯波平斯卡亚集团——罗马尼亚步兵第4和第5军的兵团。步兵第293师继续在南方向上发展进攻，步兵第76师于日终前推进至上布津诺夫卡地区。
苏军的进攻从根本上改变了斯大林格勒战场上的情况。德尔写道：“11月21日，第6集团军前线开始出现严重危机”。苏军坦克已抵达第6集团军司令部的近处。德尔继续写道：“早上，近40辆俄国坦克向卡拉奇附近的登陆场发起冲击。当他们的冲锋被打退后，他们转向东北方向，中午出现在距第6集团军指挥所所在地——戈卢宾斯基西南几公里高高的顿河西岸上”‘梅伦廷也证明了保卢斯司令部处于情况危急的状态中。