З жовтня 1942 року командував військами Північно-Західного фронту. На цій посаді провів Дем'янську і Староруську наступальні операції. Наступ закінчився провалом із великими втратами. 13 березня Маршал Тимошенко був знятий з посади командувача Північно-Західним фронтом. Існує думка, що через провал наступальних операцій (Операція «Полярна Зірка») Маршалу Тимошенко більше не довіряли командування фронтами.