10月间，总参谋部以及有关方面军军事委员会和司令部一直在准备这次战役。10月下半月，准备工作基本就绪。同最初方案相比，大本营在扩大战投范围方面对计划作了某些改动，因而在斯大林格勒西北实施主突的地区扩大至谢拉菲莫维奇西南地域。与最初草案相比，增加了实施反攻的兵力和兵器。
战役开始的时间确定了：西南方面军和顿河方面军——11月9日，斯大林格勒方面军——11月10日。由于西南方面军和斯大林格勒方面军实施这次战役的纵深不同，但两个方面军的主要突击集团要同时抵达卡拉奇和苏维埃农庄，因而双方转入进攻的时间不一致。后来，进攻的时间又推迟了十天，主要是因为往集结地域运送部队、弹药和油料有困难。
经过反复修改、最后定形的反攻计划（代号叫“乌兰”）具有意图上目的明确、大胆的特点。进攻战的规模是庞大的。西南方面军、顿河方面军和斯大林格勒方面军的部队实施反攻的目的是合因和消灭敌重要兵团。三个方面军这一统一的战略性战役要在400平方公里的土地上展开。对敌实施合围机动的部队需要通过战斗从北突破120—140公里，从南突破100公里的距离。同时建立了合围敌人的两个正面——对内正面和对外正面，这也是这次战役的特点之一。
11月初，Г·K·朱可夫大将、A·M·华西列夫斯基上将、H·H·沃罗诺夫炮兵上将和其他大本营代表又抵达斯大林格勒地区。他们要一起同各方面军和集团军首长直接在现场进行实施“乌兰”计划的准备工作。
11月3日，Г·K·朱可夫在西南方面军坦克第5集团军主持了会议。除该方面军和坦克集团军首长外，参加会议的还有确定在主突方向上实施进攻的部队的师长、军长。11月4日，在西南方面军第21集团军也举行了同样的会议，顿河方面军司令员也到会参加，11月9日、10日，举行了有斯大林格勒方面军首长、兵团指挥员、集团军司令员参加的会议。
A·M·华西列夫斯基回忆道，在这些会议上，仔细检查了指挥人员对向他们提出的任务及其解决方法理解的确切情况。研究了同炮兵、坦克部队、航空兵组织协同动作的问题，坦克兵兵团和骑兵兵团协同动作的问题。会议参加者报告了军队状况，及其战斗准备情况。
Г·K·朱可夫大将在向大本营汇报部队准备结果时指出，反攻战役中的航空兵保障准备尚不充分。大本营对此很快就作出反应。
N·B·斯大林于11月12日4时电告Г·K·朱可夫说，如果在斯大林格勒方面军和西南方面军的战役中航空兵准备不能令人满意，那末战役就会以失败告终。
斯大林解释说，作战经验表明，只有在夺取了制空权的情况下，才能取得歼灭德国人的战役的胜利。在这种情况下，苏联航空兵应完成三项任务：
第一、集中在我突击部队进攻的地域内行动，压制德寇航空兵并可靠地掩护我方部队，
第二、不断轰炸进攻部队当面的敌军，为我进攻部队开辟道路。
第三、以不断轰炸和强击的方法，追击退却的敌军，彻底打乱敌军，并使其不能在最近的防御地区巩固下来。最高统帅最后指出：“如果诺维科夫认为，我航空兵目前还不能完成这些任务，那就最好将战役推迟一些时间，以积蓄更多的航空兵力量。请与诺维科夫和沃罗热伊金谈谈，督促他们搞好，并把你们总的意见告我。
瓦西里耶夫
1942年11月12日4时
Г·K·朱可夫和A·M·华西列夫斯基将军飞抵莫斯科后，11月2日亲自向N·B·斯大林和国防委员会的其他成员汇报了他们对这次战役准备情况的意见。A·M·华西列夫斯基对这次汇报的内容讲得非常详细。
1、双方在斯大林格勒方向的兵力大体相等。在我各方面军的主要突击方向上，由于调来了大本营预备队和抽调次要方向的部队建立起了强大的突击集团，在兵力上形了成了对敌人的绝对优势。
未发现敌人的大批预备队从内地开往斯大林格勒方向。敌军没有表现出任何重要的变更部署。由第6集团军和坦克策4集团军组成的敌主力仍然被牵制在市区的持久战斗中。在这个集团的翼侧仍然是罗马尼亚部队。总之，斯大林格勒方向的双方力量对比有利于大本营提出的任务的胜利完成。
2、大本营向各方面军指定的反攻部队和必要物资的集中完毕的时间只能比原计划日程稍稍推后了一些。
由于部队中开展了大量的政治工作，部队的精神状态很好、士气高昂。
3、包括团长在内的方面军指挥员对战役的战斗任务要了如指掌，并在现地加以研究落实。很好的计划和研究了包括团在内的步兵同炮兵、坦克兵以及航空兵之间的协同动作的全部问题。特别着重研究了坦克军、机械化军和骑兵军的任务。
“从计划中看出，在战役开始阶段，西南方面军将在战役中担任主攻。根据我们的意见，以及该方面军首长的意见，西南方面军有足够的兵力兵器实现这一目的。
在战役的第三天日终和第四天凌晨，两南方面军和斯大林格勒方面军的坦克军和机械化军要在顿河东岸的苏维埃农庄、卡拉奇地区会师。
计划中规定的建立合围的对外正面措施，是由两个方面军和各集团军司令员制定的。在他们领导下，参战部队的指挥员也参加了这项工作。
西南方面军和顿河方面军11月19日开始进攻，而斯大林格勒方面军在11月20日开始进攻，是有充分的根据。
各方面军、集团军司令员得到指示，在进攻前一天夜间才能向部队宣布进攻命令。
报告最后指出：斯大林格勒方向各方面军和集团军军事委员会和所有参加领导这场苏军历史上第一次具有大规模和重要意义战役的指挥员以及我们本人都坚信这次战役会取得胜利。
在讨论了一系列问题之后，大本营最后批准了战役计划和开始时间。”
为了红军在斯大林格勒地区准备这一强有力的突击，动员了全国的力量。在祖国后方，组建了新的集团军、军、师、旅，从伏尔加和北高加索撤出战斗的兵团也进行改编和得到了补充。为了准备反攻，苏联最高统帅部已拥有人数众多的预备队。大本营使用预备队和在方面军内部变更部署的方法向斯大林格勒地区指定的突破口地段集结重兵。
组建的西南方面军的编成内有：顿河方面军的第63集团军和第21集团军，坦克第5集团军（从布良斯克方面军调来），新组建的航空兵第17集团军。此外，西南方面军还得到2个坦克军（第1和第26）和1个骑兵军（第8），以及一些坦克、炮兵兵团和部队的加强。斯大林格勒方面军得到机械化第4军和骑兵第4军，以及3个机械化旅和3个坦克旅的加强。3个步兵师加强了顿河方面军。在准备反攻阶段（从10月1日至11月20日），大本营派出以下部队加强各方面军：1个坦克集团军（第5），10个步兵师，6个步兵旅，2个坦克军，2个机械化军，2个骑兵军，4个坦克旅，1个坦克团和近20个炮兵和迫击炮团。
特别注重加强各方面军的航空兵集团军。11月份，航空兵第1混编军从大本营预备队调出，加入航空兵第17集团军的编成；航空兵第2混编军则加入航空兵第8集团军的编成。并决定在反攻阶段还可使用远程航空兵的大批兵力和将沃罗涅日方面军航空兵第2集团军在作战上调归西南方面军司令员指挥。
突击集团各部队在主要突击方向上配置了占很大优势的兵力和技术装备，这样的态势具有十分重要的意义。斯大林格勒城下的反攻计划确定的一些突击方向，是具有很高的军事艺术造诣的。
计划中规定：
1、对敌力量薄弱地段实施突击；
2、对敌主要集团后方进行打击；
3、从各登陆场实施进攻，不强渡顿河。
4、利用对进攻部队有利的地形。
参加这一战役的敌方不得不承认这一切，而且这些人还都是接近德国参谋总部的人。
K·蒂佩尔斯希写道：‘从前线的轮廓来看，就可确定出俄国人突击的方向：德国集团的左翼在新卡列特瓦地域斯大林格勒至顿河弯曲部近300公里的第段上展开。而兵力十分弱的较短右翼开始于斯大林格勒附近，在加尔梅克草原结束。”
德尔是用另一种方式来表达的，但实际上也是这样，他指出：“善于作战的俄国部队指挥部……选定了突破地点……远离德军的冀例”。
联邦德国的历史学家X·沙伊贝特详细叙述了苏军成功地选择突击方向。他写道：“从沃罗涅日到斯大林格勒附近这一区域，虽然被顿河隔开，但只要认真研究一下，就会发现这一地区并没有自然屏障。甚至这一点也没有注意到，就是俄国人在顿河右岸占据着数量很大的登陆场，尽管德国入经过顽强的努力，还是未能夺取这些登陆场。在炎热的夏季，顿河上游会出现很多浅滩，冬季，顿河很快结冻，河面被厚厚冰覆盖着，冰上能承受很大的缁重。在弯曲的河道两岸和河上众多的岛屿上长满了茂密的灌木，这些灌木丛便于有经验的敌人集结部队。在这一长满许多树木的一望无边的地域，用相当弱的兵力进行江河防御是不可能的…顿河以西和顿河与伏尔加河中间的所有地域，就像略靠南一些的加尔梅克草原一样，宽阔且没有任何自然屏障，纵深几百公里，是摩托化和坦克部队作战最理想的地方”。
X·沙伊贝特还指出、距离供应基地太遥远。“在意大利策8集团军或罗马尼亚第3集团军地域，从顿河防御前线至斯大林格勒附近所有部队唯一的供应基地——罗斯托夫，空中距离就有300公里。于是罗斯托夫就成为整个“A”集团军群、德国坦克第4集团军和正在组建的“5”集团军群的罗马尼亚第4集团军的供给基地