Бирјузов је командовао овом јединицом наредне три године, што је реткост међу совјетским генералима, посебно за време Другог светског рата. Совјетски генерали су ретко били на једној командној дужности дуже од неколико месеци. Бирјузовљева јединица је била део Југозападног и Бријанског фронта. Бирјузов је сматран добрим командантом дивизије. Често је лично водио дивизију у битку. Током прве године операције Барбароса (јун 1941), Бирјузов је рањен чак пет пута, од чега два пута прилично озбиљно. Априла 1942. је постављен за начелника штаба 48. армије, која је била део Бријанског фронта. Командовао је овом јединицом до новембра 1942, када је постао начелник штаба Друге гардијске армије. На овој дужности је био до априла 1943. године, помагавши у вођењу ове моћне формације током операције Сатурн, када је Друга гардијска помогла у сламању немачке Шесте армије, након што су Немци били опкољени током Стаљинградске битке.