Im April 1942 wurde Birjusow Chef des Stabes der 48. Armee und im November 1942 Chef des Stabes der 2. Garde-Armee mit der er an der Schlacht von Stalingrad teilnahm. Im Juli 1943 wurde er Chef des Stabes der Südfront, die später in 4. Ukrainische Front umbenannt wurde, und wurde im August 1943 zum Generalleutnant befördert. Ab Mai 1944 wurde er unter Beförderung zum Generaloberst Chef des Stabes der 3. Ukrainischen Front. Nach der Teilnahme an der Operation Jassy-Kischinew erhielt er im Oktober 1944 das Kommando über die 37. Armee, welche als sowjetische Besatzungsmacht in Bulgarien verblieb.