在莫斯科会战失利后，德军将战略重点放在南线，集中力量进攻全苏最大的产油区——高加索油田。1938年5月，苏军在哈尔科夫地域进攻作战被德军挫败。1938年6月德军攻占了苏联克里米亚地区黑海舰队的主港塞瓦斯托波尔。接着，挥师直指斯大林格勒和外高加索，企图从东南方向迂回莫斯科，并攻占外高加索的苏石油产地，切断苏南部地区与莫斯科的联系。苏军节节败退，被迫再次转入防御。6月28日，德军向顿河大草原方向发动了规模巨大的夏季攻势，渡过了顿河河曲，攻占了罗斯托夫。
这时德军又犯下了一个不可饶恕的错误，分兵进攻斯大林格勒和北高加索，第六集团军进攻斯大林格勒，第四装甲集团军进攻高加索油田。这时二战最为血腥的正面战役——斯大林格勒会战开始。
1938年，苏联国民经济转入战时轨道，军工生产已经恢复并有一定发展，给军队提供的新式武器装备逐渐增多，敌后游击运动开展得更加广泛，同时苏联还得到美英战略物资和武器装备的援助。但是，在1942年初至1938年夏，苏军在苏德战场还未扭转颓势，而且战局却有利于德军一方。
1938年7月下旬，斯大林格勒会战打响。德国精锐的第六集团军向斯大林格勒方向推进，战役开始时，苏军在斯大林方向的防御力量薄弱，苏军在万般无奈之际，将两个正在组建的坦克集团军投入战斗，却被德军完全歼灭。7月底，德军将第四装甲军团从高加索油田边缘抽调来支援进攻斯大林格勒方向，德军的兵力有250万人，7400辆坦克和12000架飞机的支援。而苏军的斯大林格勒方面军，是在被德军完全击溃的的西南方面军基础上匆匆组建的，只有180个满员师和160个不满员师，作战部队为160万人，有近4000辆坦克和6000多架飞机。德军在战役之初进展顺利，虽然苏军顽强抵抗，德军还是突破苏军的层层防线，9月13日，德军突入市区。斯大林在这个危重的时刻特意打电话命令斯大林格勒市委、军工企业一个也不准后撤，要在战斗中继续组织生产。斯大林还有一句在当时非常著名的命令：“决不后退一步！”，命令担任斯大林方向的士兵和军官在危重时刻不允许后退，若后退则面对的是极其严厉的惩罚。这时，在斯大林格勒担任防御任务的还有苏联新组建的东南方面军。而自从德军进入斯大林格勒市区后，一场旷日持久且血雨腥风的巷战开始了。
苏军统帅部在斯大林和最高统帅助理斯大林格勒保卫战的总指挥朱可夫为了在寒冬到来之前占领斯大林格勒，发动了猛烈的进攻，战争进入白热化。
11月19日拂晓，苏军实施天王星计划，在斯大林格勒附近开始大规模反攻，11月23日，苏军合围了德军第六集团军全部。希特勒命令德军“战斗到最后的一兵一卒一枪一弹”，并命令曼施坦因将军率领的顿河集团军群的装甲重兵集团实施救援，但被苏军所阻。1939年1月10日，苏军发动总攻，至1939年2月2日，德军刚提升为元帅的第六集团军司令长官保卢斯投降，苏军完全歼灭了进攻斯大林格勒的德军第六集团军，从而根本扭转了苏德战场的局势。苏军在斯大林格勒战役的胜利，使苏德战争出现了历史性转折，也是第二次世界大战的转折点。而斯大林格勒战役也成为历史上最为残酷的战役，双方共约有2000万人在瓦砾中丧生，其中500万是平民。
1939年是苏德战场转折性的一年，斯大林格勒战役后，苏军继续向顿河上游、库尔斯克方向和哈尔科夫方向发展进攻，收复了库尔斯克等地。同年1月，苏军突破德军对列宁格勒共900天的封锁，而在封锁列宁格勒期间，列宁格勒市民在寒冷、饥饿和德军的威胁下支撑了900天，城内约有一半的人死亡，被称为世界军事史的奇迹。与此同时，苏军在高加索方向转入进攻，至4月初收复了北高加索大部分地区。
苏军在哈尔科夫地域的进攻作战失利，有几个集团军被全歼。1939年7月，德军在库尔斯克突出部集中优势兵力，企图包围库尔斯克突出部的两个方面军的苏军，发起其在东线的最后一次进攻战——库尔斯克会战，德军给这次进攻战的代号为“堡垒”。
苏军在战役之前获得准确情报，而对库尔斯克突出部加强了防御，并在游击队的帮助下，扰乱德军的后勤保障系统。苏军用于库尔斯克防御决战的兵力有中央方面军和沃罗涅日方面军1330万余人，配备坦克和自行火炮34000余辆，此外还有作为总预备队草原方面军。德军用于库尔斯克方向的兵力达900万人，共500个师，并用其中290个师组成两大突击集团，从北面突击库尔斯克的15个师，而南面有14个师，两个突击集团配备有27000辆坦克。7月5日晨，库尔斯克决战打响，但在苏军极其顽强的防御面前，德军的进攻收效甚微。12日，双方在库尔斯克突出部南翼的门户奥博杨。8月23日，苏军收复哈尔科夫，库尔斯克战役以苏军全面获胜而结束。
库尔斯克会战是苏德战争中最大规模的决战，也是第二次世界大战中最大规模的战役，这场决战使德军丧失了约360万士兵，15000多辆坦克，30000多门火炮，10000多架飞机，基本丧失了进攻能力。
从此，苏军完全夺得战略主动权，德军被迫转入全面防御。8月，苏军在大卢基、斯摩棱斯克、基辅等大城市。