После того, как Великобритания объявила Румынии войну, начальник румынского Генштаба генерал Иосиф Якобцы стал требовать от Антонеску вернуть в страну хотя бы часть армии. Он опасался, что венгерские войска, воспользовавшись отсутствием в Румынии регулярных вооруженных сил, которые почти полностью были переброшены на Восточный фронт, нанесут удар по Южной Трансильвании. Дело кончилось тем, что в начале 1942 года Якобцы был снят с должности, а его место занял более сговорчивый генерал Илие Штефлеи.
К весне 42-го в Румынии были сформированы 16 новых дивизий, которые должны были быть переданы группе армий «Юг» для наступление на Волгу и Кавказ. В таком случае, в стране оставалась бы всего 1 дивизия, охранявшая нефтяные поля Плоешти, и еще одна дивизия, дислоцированная в Бессарабии у побережья Черного моря. Но, после длительных обсуждений, Антонеску и Штефлеи решили предоставить немцам только 6 дивизий, вооружить которые предполагалось уже на фронте.
В соответствии с директивой фюрера № 45 от 23 июля 1942 года на Кавказ в составе группы армий «А» должны были наступать 17-я полевая армия вермахта, 3-я румынская армия, 3-я и 4-я немецкие танковые армии. При развитии операции для наступления в сторону Волги была выделена группа германо-румынская армий «Дон» под командованием женатого на румынке генерала Фридриха Паулюса в составе 6-й полевой армии вермахта, 3-й и 4-й румынских армий и 4-й танковой армии. Летом 42-го года обе румынские армии были развернуты справа и слева от 6-й полевой армии для защиты ее флангов. 3-я румынская армия под командованием генерала Перта Думитреску (1-я моторизованная дивизия, 1-я и 7-я кавалерийские дивизии, 5-я, 6-я, 7-я, 9-я, 11-я,13-я, 14-я и 15-я пехотные дивизии) заняла позиции севернее Сталинграда, тогда как 4-я армия генерала Константина Константинеску (5-я, и 8-я кавалерийские дивизии, 1-я, 2-я, 4-я, 8-я и 20-я пехотные дивизии) расположились в Калмыцкой степи на южном фланге Фридриха Паулюса.
Обе эти армии были очень плохо вооружены. Они не имели ни тяжелой, ни противотанковой артиллерии. Только когда 6-я армия вермахта стала нести огромные потери в уличных боях, Паулюс попытался довооружить войска своих союзников. Он также пытался наладить отношения с генералом Думитреску, чтобы через Антонеску донести до Гитлера истинное положение вещей в Сталинграде, о котором, как казалось Паулюсу, фюрер якобы ничего не знал.
19 ноября 1942 года в ходе советского контрнаступления 21-я и 5-я танковая армии РККА силами 21 дивизии прорвали позиции 3-й румынской армии на Дону и вышли в тыл группировки Паулюса. На следующий день 55-я и 57-я советские армии пробили фронт 4-й румынской армии южнее Сталинграда. Несмотря на сопротивления румын и немцев, 65-я армия 24 ноября в районе к юго-западу от станицы Распопинская окружила и заставила капитулировать 5 пехотных дивизий генерала Думитреску. Советские войска взяли в плен 30 тысяч румынских солдат.
12 декабря 1942 года 4-й танковая армия и 4-я румынская армия попытались деблокировать сталинградский котел, но были остановлены всего в полусотни километрах от внутреннего периметра кольца. В ходе контрнаступления советских войск от 4-я румынской армии осталась только одна дивизия. Всего, за время битвы под Сталинградом румыны потеряли убитыми и ранеными более 150 тысяч человек. Это составило четверть всех войск Антонеску, сражавшихся на Восточном фронте.
Еще во второй половине 42-го года Маниу и Бариану потребовали от маршала убрать румынские войска с русского фронта. Тогда Антонеску отказался сделать это, сославшись на то, что невозможно вывести румынские дивизии из России без согласия Гитлера, поскольку все железнодорожные коммуникации находятся в руках немцев. Кроме того германская авиация не позволила бы румынам безнаказанно покинуть свои позиции. Теперь же, после поражения под Сталинградом, Ион Антонеску сам предложил Штефлеи разработать план эвакуации половины задействованных на Восточном румынских дивизий на родину. Вскоре в России остались только 30 дивизий, тогда как в самой стране были дислоцированы 20. К концу 1943 года на Восточном фронте 18 румынских дивизий было полностью уничтожены, а 7 заперты в Крыму.