На следующий день немецкое командование ввело в бой 1ю танковую и 7-ю кавалерийскую румынские и 14-ю и 22-ю танковые немецкие дивизии.
Утром 20 ноября 157-я танковая бригада 26-го танкового корпуса вышла к Перелазовскому, где разгромила штаб 5-го румынского корпуса. К 16 часам… корпус вышел к Ефремовской. 19-я танковая бригада того же корпуса вместе с 119-й стрелковой дивизией сражалась с 1-й румынской танковой дивизией в районе Жирковского. 1-й танковый корпус вел бой в районе Песчаного с 22-й немецкой танковой дивизией. В течение дня с советской стороны в бой вступили 47-я гвардейская стрелковая дивизия, 55-я кавалерийская дивизия и 8-й мотоциклетный полк. К вечеру 22-я немецкая танковая дивизия оставила Песчаное.
Несмотря на приказ командующего 5-й танковой армией обходить узлы обороны и прорываться в тыл, 1-й танковый корпус продолжал бои с закрепившимся противником, неся напрасные потери в лобовых атаках 20 и 21 ноября.
102-я танковая и 4-я мотострелковая бригады 4-го танкового корпуса южнее хутора Власова сражались с частями 15-й румынской пехотной дивизии, а 69-я и 45-я танковые бригады этого корпуса вели бои в районе совхоз «Первомайский» – Манойлин.
3-й гвардейский кавалерийский корпус в хуторе Евлампиевский захватил аэродром с 18 самолетами, но был остановлен румынами на рубеже Платонов – Цимловский.
Стрелковые дивизии 5-й танковой и 21-й армий за 20 ноября продвинулись на 10–12 км, создав угрозу окружения 5-го и 4-го румынских корпусов.
65-я армия Донского фронта 20 ноября продвинулась всего на 2–4 км.
Хотя за второй день наступления войска Юго-Западного фронта почти не продвинулись вперед, но оборонявшиеся румынские войска и введенные в бой немецкие и румынские резервы понесли значительные потери, не достигнув каких-либо успехов, и были близки к исчерпанию возможностей сопротивления. Собственно, уже к исходу 20 ноября, учитывая, что в этот день перешли в наступление войска Сталинградского фронта, германское командование могло смело отдавать приказ об отступлении 6-й армии за Дон. Из-за сильного тумана на Сталинградском фронте артподготовка началась только в 9:30 утра и продолжалась от 40 до 75 минут. К середине дня на всех участках был достигнут прорыв и начался ввод в прорыв подвижных соединений.
13-й танковый корпус 57-й армии наступал в полосе 169-й и 422-й стрелковых дивизий в направлении на Нариман. Продвинувшись на 10–15 км, части корпуса были остановлены 29-й мотопехотной дивизией.
4-й механизированный корпус 51-й армии действовал на участке 126-й и 302-й стрелковых дивизий. К 18 часам корпус, не встречая сопротивления, вышел в район Плодовитое, а к утру следующего дня занял Зеты. В 22 часа вслед за 4-м механизированным корпусом в прорыв вошел 4-й кавалерийский корпус и к утру занял Абганерово.
143-я стрелковая бригада 51-й армии и 15-я гвардейская стрелковая дивизия 57-й армии ударом по сходящимся направлениям окружили в районе Дубовый Овраг части 2-й и 18-й румынских пехотных дивизий.
Войска 64-й армии, начавшие артподготовку лишь в 14:30, силами 36-й гвардейской, 204-й и 38-й стрелковых дивизий прорвали оборону 20-й румынской пехотной дивизии и продвинулись на 4–5 км.
Сталинградский фронт в первый же день наступления прорвал оборону румынских войск и вышел на оперативный простор. Резервов у противника уже не осталось, поскольку они были израсходованы в боях с Юго-Западным и Донским фронтами. Четыре ослабленные румынские пехотные дивизии перед фронтом 51-й и 57-й армий не смогли оказать серьезного сопротивления.
29-я мотопехотная дивизия, имевшая 59 танков, смогла связать лишь один советский танковый корпус.
21 ноября 26-й и 4-й танковые корпуса, выйдя в район Маиойлино, повернули на восток к Калачу. 26-й танковый корпус к вечеру вышел в район Плесистовского, а ночью захватил Остров. 4-й танковый и 3-й гвардейский кавалерийский корпуса к исходу дня вышли на рубеж Еруслановский– Оськиновский и заняли Голубинскую, спешно покинутую штабом 6-й армии.
1-й танковый и 8-й кавалерийский корпуса в районе Бол. Донщика вели бои с 22-й немецкой танковой дивизией.
119-я и 277-я стрелковые дивизии, выйдя в район Перелазовского – Верхне-Черенского, вместе с 96-й, 63-й и 333-й стрелковыми дивизиями 21-й армии, 346-й и 124-й стрелковыми дивизиями 5-й танковой армии окружили 5-ю, 6-ю и 13-ю и части 15-й и 14-й румынских пехотных дивизий в районе станицы Распопинской.
Стрелковые дивизии 5-й танковой армии наступали к реке Чир. 14-я гвардейская и 159-я стрелковая дивизии вместе с 8й гвардейской танковой бригадой заняли Горбатовский, а 47-я гвардейская стрелковая дивизия с 8-й гвардейской танковой бригадой взяли Старый Пронин и Варламовский.
В полосе Сталинградского фронта 4-й механизированный корпус к исходу дня продвинулся на 15–20 км, выйдя в район Верхне-Царицынского. Его передовые отряды атаковали штаб 4-й немецкой танковой армии. 4-й кавалерийский корпус и 302-я стрелковая дивизия двигались к рубежу Тундутово – Абганерово, прикрывая левый фланг ударной группировки.
