Около двух месяцев Алексей Михайлович провёл на больничной койке. К середине мая он вернулся в свою часть, а в июне 1944 года его 11-я отдельная гвардейская танковая бригада была передана 1-му Белорусскому фронту и в составе 8-й гвардейской армии начала подготовку к Белорусской стратегической операции. В июле 1944 года гвардии младший лейтенант А. М. Пустовалов участвовал в составной части операции «Багратион» — Люблин-Брестской фронтовой операции. Алексей Михайлович отличился в первый день наступления. При прорыве сильно укреплённой полосы противника под Ковелем танк гвардии младшего лейтенанта Пустовалова под яростным артиллерийским огнём противника за счёт умелого маневрирования на поле боя сумел ворваться на позиции немцев и уничтожил одно самоходное артиллерийское орудие, 3 пушки, 4 подводы и автомашину с боеприпасами и до 50 вражеских солдат. Продолжая углублять прорыв, экипаж Пустовалова на большой скорости ворвался в опорный пункт немецкой обороны село Торговище и рассеял вражеский гарнизон. При выходе на государственную границу Союза ССР на реке Западный Буг танк Пустовалова был подбит, и Алексей Михайлович вновь оказался в госпитале.