Sau lần bị thương này, ông được chuyển tới Phương diện quân Đông Nam. Tại đây vào tháng 8 năm 1942, Yeryomenko đã chỉ huy cuộc phản kích mạnh vào lực lượng Đức Quốc xã đang tiến hành Chiến dịch Blau ở hướng Kavkaz. Ngày 28 tháng 9, Phương diện quân Đông Nam được đổi tên thành Phương diện quân Stalingrad. Trong Chiến dịch Uranus tại Trận Stalingrad tháng 11, các lực lượng của Yeryomenko đã góp phần vào việc bao vây và tiêu diệt Tập đoàn quân số 6 của Đức. Phương diện quân của ông cũng tham gia chống phản công và đẩy lui lực lượng của Thống chế Erich von Manstein đang cố gắng phá vỡ vòng vây của Hồng quân.