В ноябре 1942 года Ф. П. Шмелёв был назначен командиром 37-й отдельной стрелковой бригады и прибыл с таковой из района Вологды на Воронежский фронт 4 декабря 1942 года, где поступил в резерв фронта. Принимал участие в Россошанско-Острогожской операции, входя в состав 3-й танковой армии генерала Рыбалко. Бригада, совместно со 180-й дивизией, прорывала оборону под станцией Пасюково. В бою между станцией Пасюково и Митрофановка 14 января 1943 года при отбитии контратак дивизии СС «Полицай Франкфурт на Майне» был тяжело ранен и эвакуирован в госпиталь в город Бобров.