Nhiệm vụ đầu tiên trên cương với, ông chỉ huy tập đoàn quân tham gia Chiến dịch Sao Thiên Vương, nhằm bao vây Tập đoàn quân số 6 của Paulus tại Stalingrad. Đến ngày 23 tháng 11, nhiệm vụ hoàn tất, Lelyushenko tiến 55 km về phía Tây. Trong thời gian này, ông chính thức bị khiển trách vì thường xuyên vắng mặt tại bộ chỉ huy hậu phương do ông muốn trực tiếp ra mặt trận. Cuộc tấn công sau đó có mật danh là Chiến dịch Sao Thổ Nhỏ bắt đầu vào ngày 16 tháng 12 năm 1942 và Lelyushenko, lúc này chỉ huy Tập đoàn quân cận vệ 3, cùng với Quân đoàn cơ giới cận vệ 1, tiến sâu hơn 100 km vào hậu phương địch.