31 июля 1942 года Меркулов был назначен на должность командира 304-й стрелковой дивизии, находившейся в резерве Сталинградского фронта, но вскоре переданной в 21-ю армию и принявшей участие в боевых действиях Сталинградской битвы в районе города Серафимович. Оказывая помощь советским войскам в Сталинграде, дивизия с 16 по 22 С ноября 1942 года форсировала Дон и удерживала захваченный плацдарм. С ноября 1942 года дивизия в составе 65-й армии принимала участие в контрнаступлении советских войск под Сталинградом, а в январе-феврале 1943 года — в ликвидации окружённой 6-й немецкой армии в составе Донского фронта. За мужество и героизм личного состава в ходе Сталинградской битвы приказом народного комиссара обороны СССР от 21 января 1943 года 304-й стрелковой дивизии было присвоено гвардейское звание и она стала именоваться 67-й гвардейской стрелковой дивизии. А полковнику С. П. Меркулову в этот же день было присвоено воинское звание генерал-майор.