Luego fue transferido al Frente Suroriental, donde en agosto de 1942, lanzó varios contraataques durante la Operación alemana Fall Blau, cuyo objetivo era capturar el Cáucaso. El 28 de septiembre, su frente fue renombrado Frente de Stalingrado. Durante la Operación Urano, las fuerzas de Yeriómenko ayudaron a rodear al 4.º Ejército Alemán, que sería destruido poco después. Después de que el general Erich von Manstein intentara liberar el cerco soviético de Stalingrado, Yeriómenko contraatacó y mantuvo el frente.