עם פלישת גרמניה הנאצית לברית המועצות מונה טיולנב למפקד החזית הדרומית, וב-29 באוגוסט 1941 נפצע קשה במהלך הקרבות על יד דנייפרופטרובסק. לאחר החלמתו מונה טיולנב למפקד המחוז הצבאי אוראל, וב-15 בפברואר 1942 מונה למפקד חזית עבר הקווקז, עמה לחם בקרב על קווקז, ומילא תפקיד זה עד סוף המלחמה.