Учитывая важность Котельниковского железнодорожного узла, 16 июля 1942 года немцы провели первый авиационный налет на станцию. Сражения на Сталинградском направлении принимали все более напряженный характер. Немецкое командование в кратчайший срок решило прорваться к Сталинграду с юго-запада, вдоль железной дороги Тихорецкое -Котельниково.
С этой целью 31 июля с Кавказского направления на Сталинград была брошена 4-ая танковая армия генерала Гота. Форсировав реку Дон, в ночь со 2 на 3 августа 1942 года моторизованная пехота и танки армии ворвались в Котельниково. С 3 августа по 28 декабря 1942 года Котельниковский район был оккупирован фашистами.
Котельниково оказалось в центре боевых действий.
Для деблокирования окруженной немецкой группировки Паулюса была создана группа армий «Дон», командующий группой — один из видных полководцев вермахта генерал-фельдмаршал Эрих фон Манштейн. Был разработан план деблокирования с условным названием «Зимняя гроза». Планом предусматривалось нанесение двух ударов из районов Котельниково и Тормосина в общем направлении на Мариновку. Главный удар из района Котельниково наносила группировка Гота. К началу контрудара в эту группировку помимо сил 4-й танковой армии (избежавших окружения) входили дивизии, переброшенные из Франции, Северного Кавказа, Германии и с различных участков советско-германского фронта. Армейская группа «Гот» получила задачу наступать восточнее Дона, вдоль железной дороги Котельниково — Сталинград. Действия ее должны были начаться 12 декабря.
В то время, как немецкие войска готовились к деблокированию окруженной группировки Паулюса, советское командование продолжало подготовку операции по разгрому окруженного противника в районе Сталинграда и на среднем Дону, а также укрепляло внешний фронт окружения. Был разработан и утвержден план наступательной операции «Сатурн», замысел которой состоял в разгроме 8-й итальянской армии войсками смежных флангов Юго-Западного и Воронежского фронтов. Начало наступления назначили на 16 декабря. К этому времени для усиления обороны Котельниковского направления была передана 5-я ударная армия, а для ускорения разгрома окруженной группировки в состав Донского фронта — 2-я гвардейская армия.
12 декабря группировка «Гот» перешла в наступление. Началась одна из завершающих операций Сталинградской битвы, вошедшая в историю Великой Отечественной войны как Котельниковская оборонительно-наступательная операция. Имея двойное превосходство в силах и средствах над ослабевшими советскими войсками, противник, прорывая оборону и к исходу следующего дня, вышел в район Верхне-Кумского. В результате контрударов, нанесенных войсками 5-й ударной армии, наступление врага было приостановлено. Однако положение их продолжало оставаться тяжелым.
Основная роль в разгроме Котельниковской группировки войск отводилась 2-й гвардейской армии, которая наносила главный удар силами двух стрелковых, а также 7-го танкового и 2-го механизированного корпусов в общем направлении на Котельниково.
Вспомогательный удар должны были нанести 13-й танковый и 3-й гвардейский механизированные корпуса 51-й армии в общем направлении на Дубовское, в тыл Котельниковской группировки с юго-востока. Советским войскам противостояли 10 вражеских дивизий, в том числе 3 танковых. Хотя противник и понес значительные потери, группировка его по-прежнему представляла внушительную силу.
Двенадцать дней фашисты пробивались к своей окруженной группировке у Сталинграда. За это время они продвинулись лишь на 40—60 километров и, обессилев, остановились, примерно, на таком же расстоянии от цели.
Контрнаступление в районе Котельниково происходило в исключительно трудных условиях. Советские войска не имели за собой развитой сети дорог, выдвигаясь с севера, они преодолели, бескрайнюю опустошенную степь. В то же время немцы, действуя с юга, находились в более благоприятных условиях, пользовались развитой сетью железных, шоссейных и грунтовых дорог, питались с близко расположенных баз. Несмотря на всё это, враг был разбит. Советские войска сумели удержать в окружении группировку фашистов у Сталинграда, разбить и отбросить на 70—90 км. другую, шедшую ей на помощь.
События, развернувшиеся на Котельниковском направлении, были одной из важных составляющих Сталинградской битвы.
По информации райвоенкомата на 2014 год в «Братской могиле советских воинов, погибших в период Сталинградской битвы», 1942-1943 гг., расположенной по адресу: Волгоградская область, Котельниковский район, х. Котельников, ул. Центральная, захоронено всего 9 военнослужащих, из них 7 известных военнослужащих, памятник установлен в 1952 году.