La Batalla de Stalingrad va ser un altre període difícil dins la vida de Vassilevski. Enviat amb Gueorgui Júkov al Front de Stalingrad, intentà coordinar les defenses de la ciutat amb enllaços de ràdio treballant com a màxim de manera intermitent. El 12 de setembre de 1942, en una trobada amb Stalin, Vasilevski i Júkov van presentar el seu pla per a la contraofensiva a Stalingrad en una sessió de tota la nit. Dos mesos més tard, amb Stalingrad encara sense conquerir, es llençà l'Operació Urà. Com que Júkov havia estat enviat prop de Rzhev per executat l'Operació Mart (la contraofensiva de Rzhev). Vassilevski restà prop de Stalingrad per coordinar l'atac en doble pinça, que encerclaria als alemanys i els portaria a la derrota i l'anihilació dels exèrcits capturats allà, tot resultat del pla presentat a Stalin el 9 de desembre. Aquest pla portà un debat entre Vasilevski i Rokossovski, que volia un exèrcit addicional per netejar Stalingrad. L'exèrcit en qüestió era el 2n de Guàrdies de Rodion Malinovski, que Vassilievski llançà contra un perillós contraatac alemany llençat des de Kotelnikovo pel 57è Cos Panzer i dirigit per desbloquejar la bossa de Stalingrad.