27 декабря 1941 года за отличную работу на штабной должности в удачно действовавших группах Баграмяну было присвоено воинское звание генерал-лейтенант, и 28 декабря он был назначен начальником штаба Юго-Западного направления. В новой должности он участвовал в планировании Барвенково-Лозовской операции, в результате которой во второй половине января 1942 года войска Юго-Западного и Южного фронтов прорвали оборону противника на фронте протяжённостью 100 км и продвинулись на 90—100 км на запад и юго-запад, поставив под угрозу коммуникации донбасской группировки противника и сковав на этом направлении значительные его силы.