Katukow nahm 1917 an der Oktoberrevolution in Petrograd teil. 1919 trat er in Kolomna bei der Roten Armee ein und wurde dem 484. Schützen-Regiment der 54. Schützen-Division zugeteilt. Er war während des Bürgerkrieges an der Bekämpfung der Don-Kosaken im Kubangebiet beteiligt. Im Rahmen der 57. und 4. Schützen-Division kämpfte er 1920 im Sowjetisch-Polnischen Krieg an der Westfront. Im Dezember 1920 wurde Katukow nach Mogilew kommandiert und besuchte dort einen Führerkurs an einer Infanterieschule. Seit 1922 diente er bei der 27. Schützen-Division und befehligte dort ein Schützenbataillon. Im Dezember 1931 wurde er Stabschef des 80. Schützen-Regimentes, 1932 trat er der KPdSU bei. Im Juni 1932 wechselte Katukow zu den mechanisierten Truppen und wurde Chef des Stabes der 5. mechanisierten Brigade in Borisow. Im September 1933 wurde er Kommandant des Ausbildungsbataillons bei derselben Einheit. Im Oktober 1934 wurde er zum Chef der Operationsabteilung der 134. mechanisierten Brigade (45. mechanisiertes Korps) im Militärbezirk Kiew ernannt. 1935 absolvierte er einen Führerkurs für mechanische Truppen an der Militärakademie. Ab September 1937 war er Chef des Stabes der 135. Schützen-Brigade und am 17. Februar 1938 wurde er zum Oberst ernannt. Seit April 1938 war er Chef des Stabes des 45. mechanisierten Korps und im Oktober 1938 übernahm er die 5. Panzerbrigade des 25. Panzerkorps. Im Juli 1940 wechselte er als Kommandeur zur 38. Panzer-Brigade. Im November 1938 erhielt er dann das Kommando über die in Schepetowka stationierte 20. Panzerdivision.