עם תחילת המתקפה הגרמנית ב-22 ביוני 1941 הארמייה השלישית של קוזנצוב הוצבה בבלארוס. היא הוכללה במסגרת החזית המערבית של דמיטרי פבלוב. קוזנצוב היה המום מהמתקפה, ועד מהרה היו כוחותיו מכותרים כליל בידי הגרמנים. עם זאת, במהלך יולי הצליחו כוחותיו לפרוץ את הקווים הגרמניים להימלט. סטלין התרשם מאוד מהישג זה, וב-25 באוגוסט של אותה שנה מינה את קוזנצוב למפקד הארמייה ה-21. הוא פיקד על הארמייה במהלך קרב קייב, ובאוקטובר מונה למפקד המחוז הצבאי חרקוב. הוא לא האריך ימים בתפקיד זה, וכבר ב-2 בנובמבר נקרא לפקד על הארמייה ה-58. גם בתפקיד זה הוא לא נותר זמן רב, וב-23 לחודש הועבר לפקד על ארמיית ההלם הראשונה עמה השתתף בהצלחה בקרב על מוסקבה. בפברואר 1942 נעה הארמייה שלו צפונה והשתתפה במבצע דמיאנסק. ב-23 במאי של אותה שנה הועבר קוזנצוב לפקד על ארמיית המילואים הרביעית, וב-10 ביולי הועבר לארמייה ה-63 והשתתף עמה בקרב סטלינגרד. בחודש נובמבר פורקה הארמייה ועל בסיסה הוקמה ארמיית המשמר הראשונה, אולם קוזנצוב המשיך לפקד עליה. במחצית השנייה של דצמבר השתתפה הארמייה במבצע סטורן קטן, המתקפה הסובייטית על כוחות הציר שהחזיקו באזור הדון העליון ממערב לנהר צ'יר, ביחד עם הארמייה הסובייטית השישית וארמיית המשמר השלישית. במהלך המתקפה הביסו כוחות הארמייה את הארמייה האיטלקית השמינית והכוחות הגרמניים שסייעו לה, גרמו להם אבדות כבדות, והתקדמו מאות ק"מ דרומה עד לאזור מילארובו.