В июне 1943 года полковник К. В. Билютин назначен командиром 6-й стрелковой дивизии 26-го гвардейского стрелкового корпуса 6-й армии Юго-Западного фронта. Однако в начале Донбасской наступательной операции его дивизия попала под немецкий контрудар и «за самовольный и необоснованный отход частей дивизии» 16 августа 1943 года полковник Билютин был снят с должности командира дивизии. 2 сентября его с понижением назначили заместителем командира 25-й гвардейской стрелковой дивизии, воевавшей в составе 6-й и 8-й гвардейских армий Юго-Западного (с октября — 3-го Украинского) фронта. С 7 по 20 сентября 1943 года временно исполнял должность командира дивизии. За это время дивизия участвовала в Донбасской операции (в том числе ею освобождён город Синельниково), в битве за Днепр, отличившись при форсировании Днепра и в Днепропетровской наступательной операции. В декабре 1943 года К. В. Билютина направили на учёбу.