Va ser traslladat al Front Sud-est, on a l'agost de 1942 llançà diversos contraatacs contra l'exèrcit alemany durant l'Operació Blau, amb la que els alemanys volien arribar fins al Caucas. El 28 de setembre, el Front Sud-est va ser redenominat Front de Stalingrad. Durant l'Operació Urà, al novembre de 1942, les forces de Ieriómenko van ajudar a envoltar el 6é Exèrcit, que va ser totalment destruït. Posteriorment, el mariscal Erich von Manstein provà de contraatacar per trencar el bloqueig, però els contraatacs de Ieriómenko van aconseguir frenar el seu avanç.