В конце августа назначен и. д. начальника штаба 1-й резервной армии в городе Тамбов, с 23 сентября вступил в командование 346-й стрелковой дивизией, находившейся на пополнении в Теснинских лагерях (25 км юго-восточнее Тулы). В конце октября дивизия со станции Плавск по ж. д. была переброшена на Брянский фронт, где вошла в подчинение 5-й танковой армии (с 29 октября — в составе вновь сформированного Юго-Западного фронта). В ноябре 1942 года ее части в ходе начавшегося контрнаступления под Сталинградом действовали в направлении на Чернышевская, Морозовск, способствовали окружению в районе Раскопинской, Белосони войсками 5-й танковой и 21-й армий Юго-Западного фронта пехотных дивизий 4-го и 5-го румынских корпусов. В ходе наступления по приказу командования армии и фронта из дивизии было изъято большинство частей для усиления соединений первого эшелона. Дивизия в это время продвигалась за эшелоном развития успеха в направлении Избушенский, Колмыковский, Большая и Малая Донщинка в готовности к вводу в бой. С 23 ноября в распоряжение штаба 5-й танковой армии был выделен 1168-й стрелковый полк. В тот же день остатки дивизии (1164-й стрелковый полк) были введены в бой под Большой Донщинкой (дивизия действовала совместно с 8-й гвардейской бригадой), однако овладеть этим населенным пунктом не удалось. 30 ноября 1942 года Толстов был отстранен от должности «как не справившийся» и состоял в распоряжении резерва фронта, и. д. заместителя начальника штаба 6-й армии по ВПУ.