Fra 12. september 1942 fik han med besked på at holde Stalingrad for enhver pris overdraget kommandoen over den vigtige 62. armé. Under Tjujkovs ledelse blev arméen berømt for sit 6 måneders forsvar af Stalingrad, der foregik i den totalt ødelagte by, fra gade til gade og fra isolerede brohoveder ved bredden af Volga.