26 июня 1942 года назначен начальником Генерального штаба, а с 14 октября был одновременно заместителем наркома обороны СССР (в должности заместителя народного комиссара обороны СССР оставался до упразднения наркомата в феврале 1946 года). С 23 июля по 26 августа — представитель Ставки на Сталинградском фронте, направлял совместные действия фронтов в ходе оборонительного периода Сталинградской битвы. Внёс большой вклад в развитие советского военного искусства, спланировал и подготовил контрнаступление под Сталинградом. Ставкой Василевскому была поручена координация контрнаступления (Жуков в это время был направлен на Западный фронт). После успешного контрнаступления Василевский до середины декабря проводил ликвидацию группировки противника в Сталинградском котле, однако до её завершения был переброшен на юго-запад для содействия в отражении деблокирующей группы Манштейна, действовавшей на котельниковском направлении. Со 2 января 1943 года на Воронежском и затем на Брянском фронте координировал наступление советских войск на Верхнем Дону.