1942年5月，托尔布欣獲起用為斯大林格勒军区副司令。1942年7月，任斯大林格勒方面军下屬的第57集团军司令。第57集团军在其指揮下，參與了史達林格勒保衛戰。在红军城以南地域设防，艰苦奋战达3个多月，予德军重大杀伤，并打破了德军从南方突破斯大林格勒的一切尝试。1942年11月下半月在顿河方面军突击集团编成内参加斯大林格勒城下围歼德军的战役。。由於該軍在史達林格勒保衛戰時表現突出，托尔布欣獲斯大林格勒方面軍司令安德烈·伊万诺维奇·叶廖缅科大將赞扬其指揮策劃能力和英勇。1943年1月19日晋升中将。