בראשית אוגוסט 1942 הוא מונה למפקד ארמיית המשמר הראשונה אשר הייתה חלק מחזית סטלינגרד. במחצית הראשונה של ספטמבר השתתפה הארמייה שתחת פיקודו במתקפה כושלת על אגפה הצפוני של הארמייה הגרמנית השישית במסגרת קרב סטלינגרד. לאחר מכן הוא שימש כסגן מפקד החזית הצפון-מערבית ולאחר מכן סגן מפקד חזית סטלינגרד. ב-22 באוקטובר 1942 הוא מונה שוב למפקד חזית וורונז', ופיקד עליה במהלך מבצע אוסטרוגוזסק-רוסוסה אשר במהלכו הנחיל תבוסה מוחצת לכוחותיהן של ממלכת הונגריה ואיטליה הפשיסטית. עוד במהלך המבצע, ב-19 בינואר 1943, הועלה לדרגת גנרל-פולקובניק. לאחר מכן השתתף במבצע וורונז'-קסטורניק ובקרב חרקוב השלישי. במהלך קרב זה, הצליחו חייליו לשחרר את חרקוב, אולם לאחר מכן באה מתקפת נגד חזקה שמוטטה את חוד החנית של חזית וורונז', וגרמה לגוליקוב לאבד שליטה על אנשיו ולצבא האדום להפסיד בקרב. ב-28 במרץ הוא הועבר מתפקידו, ונשלח למוסקבה למלא תפקידי מטה.