Schon am 22. Oktober 1942 übernahm er nochmalig die Führung der Woronesch-Front, mit welcher er im Januar 1943 aus dem Raum Woronesch die Operation Ostrogoschsk-Rossosch durchführte und die Hauptstreitkräfte der ungarischen 2. Armee samt dem italienischen Alpinikorps zerschlagen konnte. Für diesen Erfolg wurde er am 19. Januar 1943 zum Generaloberst befördert. Bei der folgenden Woronesch-Kastornoje-Operation vom 24. Januar bis 17. Februar 1943 wurden große Teile der deutschen 2. Armee eingekesselt und zum Rückzug gezwungen. Golikows Fronttruppen erreichten nach Anlaufen der Operation Swesda am 16. Februar die Rückeroberung von Charkow. Als er jedoch Charkow Mitte März im Zuge eines deutschen Gegenangriffes – während der sog. Dritten Schlacht um Charkow – wieder verlor, war seine Karriere als Truppenführer endgültig beendet.