Το 1941 και μετά τη ναζιστική επίθεση κατά της ΕΣΣΔ ο Τιμοσένκο έλαβε θέση αρχιστράτηγου στη Μόσχα. Τον Ιούλιο του ίδιου έτους με εντολή του Στάλιν μετέβη στο δυτικό μέτωπο σαν διοικητής. Το φθινόπωρο ανέλαβε τον έλεγχο και του νοτιοδυτικού μετώπου και ανακατέλαβε το Ροστώφ ενώ στις αρχές του 1942 ήταν επικεφαλής του φινλανδικού μετώπου. Το Μάιο του 1942 επιχείρησε μια ευρεία αντεπίθεση στο Χάρκοβο αλλά απέτυχε και μετακλήθηκε στην πρωτεύουσα Έπειτα, τοποθετήθηκε κατά σειρά διοικητής διαφόρων άλλων μετώπων του πολέμου (Στάλινγκραντ, Καυκάσου, Βαλτικής).