Ngày 22 tháng 10 năm 1942, Batov được điều động sang chỉ huy Tập đoàn quân xe tăng 4 trên đường tiếp cận Stalingrad, thay thế Thiếu tướng Vasily Kryuchenkin. Đơn vị này ngay sau đó được đổi tên thành Tập đoàn quân 65, thành lập một phần của Phương diện quân Sông Don do Rokossovsky chỉ huy. Batov vẫn giữ quyền chỉ huy Tập đoàn quân 65 trong thời gian này. Ông tham gia lập kế hoạch phản công của Hồng quân Liên Xô, Chiến dịch Sao Thiên Vương, cung cấp thông tin tình báo quan trọng cho tướng Georgy Zhukov về ranh giới giữa các lực lượng Đức và Romania. Tập đoàn quân của ông đã tạo thành một lực lượng tấn công chủ chốt trong cuộc tấn công này, và Chiến dịch Cái Vòng tiếp theo, lực lượng này đã làm giảm và đánh bại lực lượng phe Trục bị bao vây.