Začátkem roku 1941 přešel do Moskvy, se Žukovem a Vatutinem patřil k nejužšímu vedení generálního štábu. Koncem července 1941 byl přeložen k Západnímu frontu. Účastnil se plánování a uskutečnění protiútoku u Moskvy. V bitvě u Kurska velel Západnímu frontu, který v operaci Kutuzov osvobodil Orel. V následující operaci Suvorov Sokolovského vojska osvobodila Smolensk, od října 1943 však další postup sovětských vojsk uvázl. Po neúspěchu dalších útoků v zimě 1943/44 byl Sokolovskij přeložen k 1. ukrajinskému frontu jako náčelník štábu. Zde podílel se na přípravě Lvovsko-Sandoměřské a Viselsko-Oderské operace. V dubnu 1945 si ho vyžádal maršál Žukov jako zástupce k provedení Berlínské operace.