26 червня 1942 призначений начальником Генштабу, а з 14 жовтня був одночасно заступником наркома оборони СРСР. З 23 липня по 26 серпня — представник Ставки на Сталінградському фронті, направляв спільні дії фронтів в ході оборонного періоду Сталінградської битви. Спланував і підготував контрнаступ під Сталінградом. Ставкою Василевському була доручена координація контрнаступу. Після успішного контрнаступу Василевський до середини грудня проводив ліквідацію угруповання противника в Сталінградському котлі.