У жовтні 1942 року призначений командувачем військами Воронезького фронту. Голиков проявив полководницький талант в ході Острогозько-Россошанської і Воронезько-Касторненської операцій (січень — лютий 1943 року). У результаті успішно проведених операцій його війська розгромили велике німецько-угорське угрупування в районі Воронежа, захопили в полон до 150 тисяч солдатів та офіцерів противника. 28 січня 1943 року Голіков в числі перших був удостоєний ордена Суворова 1-го ступеня.