Изначально целями операции «Малый Сатурн» были наведение переправ через Дон, уничтожение противника на западном берегу реки и продвижение к оккупированному Ростову-на-Дону, но после того, как в ставке узнали, что крупные силы немцев и союзных им государств движутся к Сталинграду, планы были скорректированы. Основная часть сил была переброшена для уничтожения деблокаторов.
Силы немцев, итальянцев и румын насчитывали 27 дивизий численностью 459 тысяч человек. Советские войска превосходили оппонента по числу пехоты и танков, но уступали в количестве стволов артиллерии и самолётов. Однако большая часть материального обеспечения была у германских частей, итальянские и румынские бригады были укомплектованы значительно хуже, как и их оборонительные рубежи.
16 декабря 1942 года советские войска перешли в наступление. Эффективность артиллерии и авиации была низкой ввиду густого тумана. Войска стран Оси оказывали уверенное сопротивление, в результате чего наступление развивалось медленно. Когда туман спал, авиация и артиллерия стали работать в полную силу. 17 декабря в действие были введены 4 советских танковых корпуса, в результате чего в тот же день оборона была прорвана и силы РККА продвинулись вглубь на 20-25 километров. На следующий день клинья углубились на территорию противника на 100-200 километров на разных участках.
24 декабря был захвачен важный аэродром под станицей Тацинская, с которого вылетали самолёты снабжения для окружённых под Сталинградом немцев. 25 декабря крупное поражение потерпела 8 итальянская армия, потеряв в битве под Арбузовкой 15 тысяч человек убитыми и раненными, и столько же пленными. К 30 декабря операция была завершена.
В результате наступления Красная армия продвинулась в тыл немецкой группы армий «Дон», в результате чего противнику пришлось отказаться от дальнейших планов по деблокированию 6-й армии Паулюса.
Советский Союз в ходе операции «Малый Сатурн» потерял 102 тысячи солдат убитыми и умершими во время эвакуации, общие потери немцев итальянцев и румын составили до 68 тысяч человек.