Vasilevski fue enviado con Zhúkov al Frente de Stalingrado, esta batalla supuso otro período difícil en su vida. El 12 de septiembre de 1942, durante una reunión con Stalin, Zhúkov y Vasilevski presentaron el plan para la contraofensiva en Stalingrado. Dos meses más tarde, el 19 de noviembre, con Stalingrado resistiendo todavía el ataque alemán, se puso en marcha la Operación Urano. Zhúkov había sido enviado cerca de Rzhev para dirigir la Operación Marte (la contraofensiva de Rzhev), y Vasilevski se mantuvo cerca de Stalingrado para coordinar la doble pinza del ataque que, en última instancia, condujo a la derrota de Alemania y a la aniquilación de los ejércitos atrapados en el "Kessel" (caldero). Todos los resultados del plan fueron presentados a Stalin el 9 de diciembre. Este plan provocó cierto debate entre Vasilevski y Rokossovsky, que quería un nuevo ejército para limpiar completamente Stalingrado de alemanes. El ejército en cuestión se trataba del 2º Ejército de Guardias de Rodión Malinovski que Vasilevski utilizó contra un peligroso contraataque alemán lanzado desde Kotélnikovo por el LVII Cuerpo Panzer y destinado a abrir un corredor con el 6.º Ejército cercado en Stalingrado (véase Operación Tormenta de Invierno).