1942年3月，崔可夫将军结束了在中国的使命，奉召返回莫斯科。崔可夫汇报了在中国的工作之后，便要求上前线，迫切地希望马上参加抗击法西斯侵者的战斗。
崔可夫与参谋长克雷洛夫和军事委员古罗夫在查看地图。1942年5月，崔可夫被任命为配置在图拉地区的后备军的副司令员。由于司令员还没任命，崔可夫负责指挥部队。
7月初，统帅部将崔可夫所在的后备军改编为第64集团军，戈尔多夫中将任集团军司令；并在顿河或伏尔加河一带迎敌。
7月23日，戈尔多夫被任命为斯大林格勒方面军司令官，崔可夫开始代行第64集团军指挥权。
7月25日，崔可夫在卫国战争第一次参加了战斗。当日，德军以2个步兵师和1个战车师的强大兵力对第64集团军右翼阵地发起攻击，企图在卡拉奇附近强渡顿河，直扑斯大林格勒。三天过后，第64集团军的右翼撤过了奇尔河，但德军从下奇尔斯卡亚地区突袭斯大林格勒的企图落空了。斯大林格勒方面军司令官戈尔多夫中将对崔可夫后撤部队的做法不满意，指派舒米洛夫少将担任第64集团军司令。
8月1日，德战车第4集团军在突破了苏第51集团军的防线后，攻占列蒙特纳亚并逼近了科捷尔尼科沃；第64集团军和整个斯大林格勒方面军的左翼受到德军从南面的包围。崔可夫迅速赶赴形势最糟的南部地段，于8月3日组成了拥有4个师又2个旅（后又增加了1个师）的“崔可夫战役集群”，并迅速与方面军司令部取得了联系（与第64集团军联系不通）。
5日，斯大林格勒方面军命令第64集团军在科捷尔尼科沃方向迎击德战车第4集团军，“崔可夫集群”则奉命从南面掩护第64集团军的行动。
在接下来的几天时间里，崔可夫率部将德军赶回了阿克赛河，取得了反击的胜利。
8月中旬，希特勒调整部署，要从西北和南部两个方向对斯大林格勒发起“钳形攻势”。
8月23日，德军向斯大林格勒派出了大量的轰炸机，进行了近2000架次的轰炸飞行。形热万分危急。
1942年9月12日，方面军军事委员会任命崔可夫为第62集团军司令，该集团军的任务是防御斯大林格勒城的中部和工厂区。
崔可夫表示：“斯大林格勒对我们全体苏联人民至关重要，这个城市的失守将挫伤人民的斗志。我发誓决不离开这座城市，我将采取一切办法坚守。我决心要么守住城市，要么就战死在那里！”
为鼓舞士气，崔可夫在到任伊始就发布命令：“斯大林格勒是我们最后的战场；未经我和参谋长同意，任何部队严禁擅自撤离现有阵地；集团军司令部在任何情况下不向后撤。”
崔可夫在作战会议上指出：“我们不能仅限于防守，而应该抓住一个有利战机去打反击，把我们的意志强加给敌人，并用我们的积极行动破坏敌人的计划”。
14日凌晨3时，崔可夫指挥第62集团军从马马耶夫岗向德军发起了攻击；但遭到德军的强力抵抗和反击，进展极不顺利。15日，德军对第62集团军实施强攻，双方在马马耶夫岗等城郊地区展开激烈的城区街巷战斗。
9月16日、17日两天的战斗更加激烈，尤为残酷。崔可夫说：“我们的部队在这里经受了从残酷和顽强程度来说都是历史上绝无仅有的恶战。”
经过一个多星期的巷战，崔可夫摸索出了一些规律。他告诫属下的各级指挥官，不要束缚于既定的战斗条例条令，要相信士兵们并给他们充分的战斗自由，要多化整为零地组织突击小组，甚至可将“单人堡垒”作为新的战术单位。这些措施都收到了明显的成效。
在接下来的残酷战斗中，崔可夫及其司令部一直坚守着自己的防御阵地，从未撤离到伏尔加河的对岸。
在10月中旬，德军甚至攻至第62集团军司令部仅400公尺之处，而崔可夫和参谋长克雷洛夫都镇定自若地表示：“我们将一起清洗好自己的手枪，把最后一粒子弹留给自己的脑袋”。
10月底的战斗中，在对斯大林格勒的保卫者来说是更为艰苦的日子，但胜利的曙光已冉冉升起。
1942年11月13日，苏联最高统帅部决定于11月19日在斯大林格勒发动全面反攻行动以围歼该地域的德军部队。
12月17日，第62集团军从一块块漂来的巨大浮冰上步行渡过了伏尔加河，与德军展开激战。
1943年1月10日，苏军部队对被围德军发起攻击行动。顿河方面军司令罗科索夫斯基中将在视察第62集团军时告诉崔可夫的任务是：“以积极的行动，从东边将更多的敌人吸引过来。如果敌人企图越过结冰的伏尔加河突围，就坚决地把它堵住。”
崔可夫向罗科索夫斯基保证：坚决完成任务，在顿河方面军主力发起主攻之前，第62集团军决不让保卢斯的德军部队撤走一兵一卒。
随后，崔可夫指挥部队由东向西推进，对德军发起了强劲的攻势；1月26日，第62集团军与自西向东进攻的第21集团军在马马耶夫岗胜利会师。
1月31日，刚刚被希特勒授予元帅军阶的第6集团军司令官保卢斯及其手下的步兵第4军军长普费尔中将、第51军军长库尔茨巴赫中将、第295师师长科尔费斯少将等德军高级将领都成为了第62集团军的战俘。
2月2日，崔可夫的第62集团军向最后负隅顽抗的德军部队实施最后的攻击，俘获德第11军军长施特雷克尔中将。当天16时整，顿河方面军终于彻底完成了歼灭斯大林格勒被围德军集团的使命，历时200余天的斯大林格勒会战终于以苏军的彻底胜利宣告结束；希特勒宣布德国全境为此哀悼三天。
崔可夫将军命令所部向敖德萨突击。在斯大林格勒会战中，崔可夫指挥的第62集团军在市区防御作战中，一次又一次地击退了数倍于己的德军部队，完成了苏联最高统帅部“不许后退一步”的任务。
苏军的《红星报》在社论中说：“第62集团军的震惊世界的顽强精神，使我统帅部有可能集结兵力，转入反攻，重创庞大的德国法西斯部队。”
为表彰第62集团军的战功，苏联最高统帅部将第62集团军改为近卫军，而崔可夫则获得了苏联最高荣誉称号——“苏联英雄”。