Операция получила название «Уран». Ее предполагалось провести в два этапа. На первом – прорвать оборону, окружить главные силы 6-й полевой и 4-й танковой армий врага, а также создать прочный внешний фронт окружения. На втором этапе требовалось отразить попытки деблокирования окруженных войск и уничтожить их. Предусматривалось из районов северо-западнее и южнее Сталинграда в общем направлении на Калач нанести мощные концентрические удары по флангам немецко-фашистской обороны. Главный удар должны были осуществить войска вновь сформированного Юго-Западного фронта. Донской фронт наносил два удара с целью изолировать и уничтожить противника в малой излучине Дона. План характеризовался оригинальностью и глубиной замысла. Впоследствии его нередко будут называть «каннами» двадцатого столетия. Александр Михайлович вложил в него все свои творческие способности.
Насколько отчетливо представлял ход операции Василевский, свидетельствует такой пример. 17 ноября 1942 года, за сутки до начала контрнаступления, на заседании ГКО он был ознакомлен с письмом командира 4-го механизированного корпуса генерала В.Т. Вольского, войскам которого предназначалась решающая роль в этой операции. Автор писал на имя Сталина, что запланированное наступление при том соотношении сил и средств, которое сложилось к началу наступления, не только не позволяет рассчитывать на какой-либо успех, но и безусловно обречено на явный провал со всеми вытекающими отсюда для нас последствиями и что он, как честный партиец, зная аналогичное мнение и других ответственных участников наступления, просит Сталина немедленно заняться этим делом, тщательно проверить реальность всех принятых по предстоящей операции решений, операцию отложить, а затем и отменить ее.
Совершенно иного мнения был А.М. Василевский. Зная точное соотношение сил, он предвидел успех контрнаступления и подтвердил на том заседании свою непоколебимую веру в победный исход операции. И это предвидение сбылось.
В ночь на 19 ноября начальник Генерального штаба вылетел на фронт. Утром был в Серафимовиче, в середине дня – в 5-й танковой армии, наносившей основной удар. Начался долгожданный разгром гитлеровцев под Сталинградом. Василевский доложил Верховному Главнокомандующему о первых успехах танковых соединений. Несмотря на туман, снегопад, войска прорвали оборону противника и продвинулись на 20 километров. Взятый темп наступления поддерживался. 23 ноября встретились войска Сталинградского и Юго-Западного фронтов. Оперативное окружение противника состоялось. Вечер этого дня застал Александра Михайловича в войсках Юго-Западного фронта. Вместе с его командующим Н.Ф. Ватутиным он разрабатывает мероприятия, направленные на дальнейшее осуществление задач контрнаступления. Поддерживает связь с командующим Донским фронтом Рокоссовским, с Андреем Ивановичем Еременко уточняет задачи войск Сталинградского фронта.
Прошло две недели. 12 декабря эпицентр событий переместился в район Котельникова, где на рубежах степных речушек Аксай и Мышкова развернулось противоборство ослабленных в предыдущих сражениях войск Сталинградского фронта с мощным танковым клином группировки Гота – Манштейна. Угроза деблокирования окруженных стала вполне реальной. В ночь на 13 декабря Верховный Главнокомандующий приказал Василевскому возглавить руководство боевыми действиями на этом участке. Убедившись, что Сталинградский фронт не в состоянии своими силами отразить таранный натиск врага, Александр Михайлович пришел к выводу, что необходимо изменить решение Верховного Главнокомандующего об использовании 2-й гвардейской армии (она предназначалась для усиления Донского фронта). В переговорах по прямому проводу он предложил Верховному немедленно перебросить ее на котельниковское направление, ставшее ключевым для завершения всей наступательной операции под Сталинградом. Это предложение вызвало раздражение Сталина. Однако уверенный в своей правоте, Василевский сумел привести неотразимые аргументы и добился того, что Ставка ВГК утвердила его решение. Как известно, 2-я гвардейская армия сыграла решающую роль в отражении наступления, а затем и в разгроме войск Манштейна, и это окончательно похоронило надежды Гитлера вызволить из окружения 6-ю немецко-фашистскую армию. Ее уничтожение отозвалось погребальным звоном по всей гитлеровской Германии.