После короткого пребывания в распоряжении Главного управления кадров НКО СССР в мае 1942 года Толбухин был назначен на тыловую должность заместителя командующего войсками Сталинградского военного округа. Но уже через месяц разгорелась Сталинградская битва и немецкие войска развернули наступление на Сталинград. В то время в округе находилась на пополнении 57-й армия, командующим войсками которой в июле 1942 года был назначен Ф. И. Толбухин. В составе Сталинградского фронта армия надёжно держала оборону южнее Сталинграда, а с ноября успешно действовала и в ходе контрнаступления советских войск.