В сентябре 1941 года Васильев был направлен на учёбу в Академию Генштаба имени К. Е. Ворошилова, однако в ноябре отозван в Куйбышев и вскоре назначен на должность командира 298-й стрелковой дивизии, которая находилась на формировании в Барнауле (Сибирский военный округ). В феврале 1942 года дивизия была передана в состав 50-й армии, после чего вела оборонительные боевые действия юго-западнее города Юхнов. В августе дивизия под командованием Васильева была передислоцирована на Сталинградский фронт, включена в состав 4-й танковой армии и с ходу вступила в бой в районе села Котлубань (Городищенский район) в общем направлении на Малую Россошку. Вскоре дивизия вела тяжёлые наступательные и оборонительные боевые действия в составе 4-й танковой и 24-й армий, а с декабря принимала участие в ходе Операции «Уран», целью которой было уничтожение окружённой под Сталинградом группировки противника, за что генерал-майор Васильев был награждён орденом Суворова 2 степени. За боевые отличия в Сталинградской битве, мужество и героизм личного состава 298-я стрелковая дивизия была преобразована в 80-ю гвардейскую.