26 чэрвеня 1942 года прызначаны начальнікам Генштаба, а з кастрычніка быў адначасова намеснікам наркама абароны СССР. З 23 ліпеня па 26 жніўня — прадстаўнік Стаўкі на Сталінградскім фронце, накіроўваў сумесныя дзеянні франтоў у ходзе абарончага перыяду Сталінградскай бітвы. Унёс вялікі ўклад у развіццё савецкага ваеннага мастацтва, спланаваў і падрыхтаваў контрнаступленне пад Сталінградам. Стаўкай Васілеўскаму была даручана каардынацыя контрнаступлення (Жукаў у гэты час быў накіраваны на Заходні фронт). Пасля паспяховага контрнаступлення Васілеўскі да сярэдзіны снежня праводзіў ліквідацыю групоўкі суперніка ў Сталінградскім катле, аднак да яе завяршэння быў ​​перакінуты на паўднёвы захад для садзейнічання ў адлюстраванні дэблакуючай групы Манштейна, якая дзейнічала на Кацельнікаўскім кірунку. З 2 студзеня 1943 года на Варонежскім і затым на Бранскім фронце каардынаваў наступ савецкіх войскаў на Верхнім Доне.