ตอลบูคินยังคงอยู่ในตำแหน่งนี้ผ่านช่วงการเปิดฉากปฏิบัติการบาร์บารอสซาจนถึงเดือนสิงหาคม 1941 เมื่อเขาได้รับการแต่งตั้งให้เป็นเสนาธิการแนวรบไครเมีย ซึ่งเขาดำรงอยู่จนถึงเดือนมีนาคม 1942 ตั้งแต่เดือนพฤษภาคมถึงกรกฎาคม 1942 เขาเป็นผู้ช่วยผู้บัญชาการมนฑลทหารสตาลินกราด หลังจากนั้นเขาก็ได้เป็นผู้บัญชาการกองทัพที่ 58 จนถึงเดือนมีนาคม 1943 กองทัพที่ 58 มีส่วนร่วมในการต่อสู้ของสตาลินกราดซึ่งตอลบูคินอยู่เหนือกว่า พลเอกอันเดรย์ เยเรเมนโกได้ยกย่องกองบัญชาการและความกล้าหาญทางทหารของเขา หลังจากบัญชาการกองทัพ 57 ตอลบูคินได้เข้าบัญชาการแนวรบใต้