В ноябре 1942 года назначен командующим войсками 1-й гвардейской армии Юго-Западного фронта. В ходе контрнаступления под Сталинградом генерал-лейтенант Д. Д. Лелюшенко умело руководил вверенными ему частями. Части армии прорвали немецкую обороны и создали внешний фронт окружения 6-й немецкой армии. В начале декабря 1942 года армия были переименована в 3-ю гвардейскую армии, Лелюшенко остался её командующим. В январе—феврале 1943 года армия наступала в ходе Ворошиловградской операции. За участие в Сталинградской битве и за зимнее наступление был удостоен полководческого ордена Суворова I степени. Затем армия вела тяжелые оборонительные бои в Харьковской оборонительная операции, в ходе которой 18 марта 1943 года Лелюшенко был вторично тяжело ранен. За время его отсутствия армией временно командовал её начальник штаба генерал Г. И. Хетагуров. В августе 1943 года Лелюшенко вернулся в строй и вновь принял командование армией. В составе Юго-Западного и 4-го Украинского фронтов руководил армией в Донбасской, Запорожской, Никопольско-Криворожской наступательных операциях.