1943年元月8日， 苏军 顿河方面军司令员 罗科索夫斯基中将发出最后通牒，令德军第六集团军停止抵抗缴械投降，失去主张的保卢斯请示 希特勒，被希特勒严词拒绝。10日，苏军对顽抗到底的德军发动进攻，炮兵几乎掀翻了德军的阵地，在苏军由空中300架飞机支援下的坦克和步兵的强大攻势面前，德军防线立即土崩瓦解了。12日，苏军主要突击集团前出到德军的第二道防御地带。14日至16日，皮托姆尼克机场落入苏军手中。18日黎明，苏军前出到大罗索什卡、冈恰拉、沃罗波诺沃地区，德军在保卢斯指挥下依托预先构筑的工事阵地进行顽抗。22日，苏军调整部署后重新发动了全线进攻。古姆拉克以东铁路线被切断，古姆拉克机场也被占领。在粮尽援绝、饥寒交迫的情况下，保卢斯向 希特勒呼叫请求分散向西南突围，但这个请求再次被拒绝。元月25日， 苏军进到斯大林格勒西郊。26日，苏军由西向东进攻的第21集团军与由东向西进攻的第62集团军在 马马耶夫岗会师。德军第六集团军被分割成南北两个集群，九个师的残部被包围在市中心，12个师的残部被包围在“街垒”工厂和拖拉机厂地域。当日 保卢斯不愿部队再付出不必要的伤亡，急电陆军总部要求投降，希特勒再次拒绝，回电命令该集团军坚守 阵地战至最后一人一弹。27日，苏军3个集团军对城市南部德军集群实施突击，3个集团军对城市北部德军集群展开围歼。

元月30日，城市南集群军的第十四坦克军投降，次日，第五十一军也随之投降。就在31日这天，保卢斯接到 希特勒晋升他为元帅的命令。但他已同 苏军取得联系，同意投降。当苏军指挥员出现在他的集团军司令部时，他慌恐又羞怯地退回自己的房间，关上灯，弯着腰收听无线电广播。投降事宜则委托给他的参谋长施密特少将代办。保卢斯让施密特转告苏军，他仅能代表他本人及其司令部投降，但不能代表他的集团军所有残部投降，因为同他们已经失去联络。

城市南部的德军集群在刚被希特勒提升为元帅的 保卢斯及其参谋长施密特将军被俘后，停止了抵抗。北部德军集群仍继续顽固抵抗，苏军在每公里正面集中了多达338门的大量火炮，对德军实施了猛烈轰击，2月2日德军城北部集群终于放下了武器，第十一军军长施特雷克尔成了俘虏。

苦战了200个昼夜的第二次世界大战中流血最多的 斯大林格勒会战就此结束了，它以苏联军队的辉煌胜利告终。德军在会战中损失约150万人，占其在 苏德战场作战总兵力的四分之一。在 斯大林格勒一带德军损失了80多万人，仅第六集团军就有20多万人损耗在这里。它在被围当日共有25万至26万多人，到投降时只剩下9万人活着走进俘虏的行列。这些俘虏行进在冰天雪地之中，衣不蔽体，食不果腹，估计他们大半都死在了草原上。因为其下场至今仍一直是个谜。

保卢斯被苏联人关进了战俘营，他供认，德国进攻苏联是完全违背国际公法的。他也承认，他曾服从了一个不讲信义的人，所以自己才会失败。1944年，他加入德国军官反法西斯联盟，后加入“自由德国”民族委员会的“德国军官同盟”，公开反对 希特勒及其指挥下的战争。

1946年，保卢斯奉召前往 纽伦堡国际军事法庭，在审判纳粹战犯时出庭作证，证明他的那些昔日战友和同事们犯有战争罪行。

1953年他从苏联的战俘营被释放，获释后定居于前东德的德累斯顿。1957年2月1日，保卢斯因长期患病而去世。