К началу оборонительного периода Сталинградской битвы 394-й и 561-й радиодивизионы Сталинградского фронта уже достаточно полно вскрыли и начали непрерывно наблюдать радиосвязь группы армий «Б» и входивших в её состав 6-й полевой и 4-й танковой армий. К началу контрнаступления советских войск радиоразведка вскрыла группировку немецких войск и их союзников перед Юго-Западным, Донским и Сталинградским фронтами. В ходе контрнаступления радиоразведка фронтов достаточно полно освещала состояние и деятельность войск противника, вскрывала подготовку их контратак и переброску резервов.
Непосредственное руководство радио-разведкой в Сталинградском сражении осуществляли начальники отделений радиоразведки штабов фронтов Н. М. Лазарев, И. А. Цейтлин, а также командиры частей радиоразведки К. М. Гудков, И. А. Лобышев, Т. Ф. Лях, Н. А. Матвеев. Два радиодивизиона ОСНАЗ (394-й и 561-й) за успешное ведение разведки противника были награждены орденами Красного Знамени.
Сотрудники дешифровальной службы военной разведки в 1942 году раскрыли принцип действия германской шифровальной машинки «Энигма» и стали читать зашифрованные с её помощью немецкие радиограммы.
В ГРУ были сконструированы специальные механизмы, ускорившие процесс дешифрования. Расшифрованные телеграммы противника позволили установить дислокацию более 100 штабов соединений немецкой армии, нумерацию 200 батальонов, других частей и подразделений вермахта. После вскрытия шифров абвера (немецкой военной разведки и контрразведки) появилась возможность получать сведения о деятельности десятков немецких агентов в тыловых районах Красной армии. В целом дешифровальная служба ГРУ раскрыла в 1942 году основные немецкие и японские шифрсистемы общевойсковых, полицейских и дипломатических шифров, 75 шифров немецкой разведки, более 220 ключей к ним, было прочитано более 50 000 немецких шифртелеграмм.
29 ноября 1942 года к правительственным наградам были представлены 14 офицеров дешифровальной службы ГРУ. Полковник Ф. П. Малышев, подполковник А. А. Тюменев и капитан А. Ф. Яценко были представлены к награждению орденом Красного Знамени; майор И. И. Уханов, военинженеры 3-го ранга М. С. Одноробов и А. И. Баранов, капитан А. И. Шмелёв — к ордену Красной звезды. Были награждены и другие специалисты.
Дешифровальная служба ГРУ была в конце 1942 года передана в НКВД где была образована единая криптографическая служба.
В 1942 году военной разведкой были допущены и ошибки. С одной стороны. Ставка ВГК проигнорировала сведения ГРУ ГШ КА о готовящемся наступлении немцев на южном направлении советско-германского фронта, что привело к провалу советских наступательных операций в Крыму и в районе Харькова. С другой стороны, зарубежным органам советской военной разведки не удалось добыть документальных материалов, раскрывавших замыслы германского командования на летнюю кампанию 1942 года.
Ставка ВГК, допустившая ошибку в оценке стратегической обстановки, выразила неудовлетворение деятельностью военной разведки накануне Сталинградской битвы. Начальник военной разведки генерал-майор А. П. Панфилов 25 августа 1942 года был снят с должности и направлен в действующую армию на должность заместителя командующего 3-й танковой армией. Возможно, назначение Панфилова на новую должность было вызвано тем, что польские соединения, за формирование которых на территории СССР он отвечал, отказались воевать вместе с Красной армией против германских войск. В последующем Панфилов стал Героем Советского Союза, а ГРУ возглавил его военный комиссар ГРУ генерал-лейтенант И. И. Ильичёв, который стал принимать срочные меры, направленные на повышение результативности деятельности всех органов военной разведки.
В целом на заключительном этапе Сталинградской битвы органы зарубежной и оперативной разведки действовали достаточно эффективно, обеспечивая Ставку ВГК и командующих фронтов достоверными сведениями о противнике.
Разведывательными отделами штабов фронтов, принимавших участие в Сталинградской битве, командовали генерал-майор А. И. Каминский, с октября 1942 года — генерал-майор А. С. Рогов (Юго-Западный фронт), генерал-майор И. В. Виноградов (Сталинградский фронт), генерал-майор М. А. Кочетков (Донской фронт).
