Im Herbst 1941 erhielt er das Kommando über die Brjansker Front. Nach der Niederlage in der Schlacht von Uman hatte Stalin die Zentralfront kurzerhand aufgelöst und Jerjomenko die dadurch freiwerdenden verbliebenen Divisionen zur Verteidigung Moskaus zugeteilt. Er konnte damit einen starken Verteidigungsriegel aufbauen. Hitler ließ seine Armeen nun allerdings nach Süden einschwenken, um die Ukraine einzuschließen. „Unsere Hoffnung,…(Stoß nach Moskau)… erfüllte sich nicht“, schrieb Jerjomenko später in seinen Memoiren. Nach der siegreichen Schlacht um Kiew gelang es der Wehrmacht nochmals, die von ihm aufgebauten Verteidigungsstellungen in einer raffiniert angelegten Doppelkesselschlacht zu umgehen und die Truppen größtenteils zu vernichten.