В декабре 1941 года назначен заместителем командующего 6-й армией Юго-Западного фронта и врио командующего армией. 6-я армия под командованием К. С. Москаленко участвовала в Барвенково-Лозовской наступательной операции и освобождении городов Изюм и Лозовая. С 12 февраля 1942 года — командир 6-го кавалерийского корпуса, с марта по июль 1942 года — командующий 38-й армией (Валуйско-Россошанская оборонительная операция), после преобразования последней с июля 1942 года командовал 1-й танковой армией, с которой участвовал в боях на дальних подступах к Сталинграду (июль−август 1942). В августе 1942 года назначен командующим 1-й гвардейской армией, с которой до октября 1942 года участвовал в Сталинградской битве. В самом начале оборонительного периода Сталинградской битвы 1-я танковая армия, которой командовал К. С. Москаленко, 12 дней подряд почти непрерывно атаковала врага и сдерживала его наступление. По мнению Москаленко, у Калача-на-Дону его армия остановила продвижение 6-й армии Паулюса на Сталинград, был выигран почти месяц для организации обороны в глубине и подтягивания резервов.