С апреля 1943 года — начальник штаба Южного (с октября 1943 — 4-го Украинского) фронта, которым командовал Ф. И. Толбухин. Основные сражения Бирюзова на этой должности: Донбасская операция, освобождение Крыма, Ясско-Кишинёвская операция, освобождение Белграда.