В сентябре — октябре 1942 года во взаимодействии с 24-й и 1-й гвардейской армиями неоднократно переходила в контрнаступление с целью разгрома противника, прорвавшегося к Волге севернее Сталинграда. Во взаимодействии с другими войсками фронта армия сковала значительную часть сил 6-й немецкой армии и тем самым ослабила её ударную группировку, наступавшую непосредственно на Сталинград.
В ходе контрнаступления под Сталинградом 66-я армия активными действиями не допустила переброски войск противника на направление главного удара Донского фронта. 24 ноября 1942 года частью сил перешла в наступление и у посёлка Рынок соединилась с войсками 62-й армии Сталинградского фронта, замкнув внутренний фронт окружения Сталинградской группировки немецких войск. В январе — феврале 1943 года участвовала в ликвидации окружённой группировки.
После завершения Сталинградской битвы с 6 февраля 1943 года входила в группу войск под командованием генерал-лейтенанта К. П. Трубникова (с 27 февраля — Сталинградская группа войск), резерв Ставки ВГК.
Шестьдесят шестая армия // Военная энциклопедия: В 8 томах / Председатель Главной редакционной комиссии Н. В. Огарков. — М.: Воениздат, 1980. — Т. 8: «Ташкент» — Ячейка. — С. 515. — 687 с.
Шестьдесят шестая армия // Советская Военная Энциклопедия: В 8 томах / Председатель Главной редакционной комиссии Иванов С. Б. — М.: Воениздат, 2004. — Т. 8:Таджикский — Яшин. — 579 с. — ISBN 5-203-01875-8.
А. С. Жадов Закаленная в боях.// Битва за Сталинград.4-е издание — Волгоград: Нижне-Волжское книжное издание, 1973.- 448—459.