З липня 1942 року командував 57-ю армією на Сталінградському фронті. Під час Сталінградської битви армія обороняла південні підступи Сталінграда. Толбухін проявив себе вмілим полководцем. У вересні 1942 року контрударами зупинив ворога на Сарпінських озерах. Під час операції «Уран» 57-а армія брала участь в оточенні і розгромі німецьких військ під Сталінградом.Саме танкові частини армії Толбухіна замкнули кільце оточення над армією Паулюса. За Сталінград 28 січня 1943 року генерал-лейтенант Федір Іванович Толбухін був нагороджений орденом Суворова 1-го ступеня.