Novemberben bízták meg Pozsony és környéke erődítési munkálataival, de Windisch-Grätz támadásakor már a bánsági hadtest vezérkari főnöke volt. Elkészítette a szerb állások elleni támadás tervét, de a végrehajtásban már nem vett részt, mert a fő hadszíntéren bekövetkezett események miatt Pestre rendelték. A hadügyminisztérium vezérkari osztályának vezetőjeként ő dolgozta ki a hadműveleti tervet, melyet a főváros feladása előtt, 1849. január 2-án tartott haditanács fogadott el. Január 9-én ezredessé léptették elő, és Mészáros Lázár utódaként Schliktől vereséget szenvedett felső-tiszai hadsereg parancsnokának nevezték ki. Klapka jó szervezőnek bizonyult, rövid idő alatt újjászervezte hadseregét és január 22-én a tarcali ütközetben, 23-án a bodrogkeresztúri ütközetben, majd 31-én a tokaji ütközetben legyőzte Schlik tábornok hadtestét. Schlik-hadtest elfogására indított hadműveletben, február 8-án Hidasnémetinél sikeres ütközetet vívott, de a császáriak bekerítése végül nem sikerült. Február 26-án és 27-én részt vett a kápolnai csatában. A március 3-ai tiszafüredi zendülésben Görgeit támogatta, és megtagadta a további engedelmességet Dembinszky Henrik főparancsnoknak.