Прорвавшаяся из Смоленска 16-я армия была объединена с группой Рокоссовского и стала серьезной силой на смоленском направлении. В разгар Ельнинской операции она отвлекала на себя силы группы армий «Центр», не позволяя командованию вермахта перебрасывать их под Ельню. Но в самом начале немецкого наступления на Москву (операция «Тайфун») по приказу командующего Западным фронтом генерала И.С.Конева большинство соединений армии Рокоссовского было передано в соседнюю армию.
16-ю армию пришлось формировать заново, собирая по пути отступавшие соединения. Армия Рокоссовского действовала теперь в районе Волоколамска, где утром 16 октября против нее начали наступление четыре дивизии противника. Недостаток боеспособных соединений Рокоссовский возмещал созданием глубоко эшелонированной обороны и привлечением для борьбы с танками противника всей имевшейся артиллерии. К середине ноября его армия получила свежие пополнения, прибывшие из Сибири и Средней Азии. Как раз начался новый этап гитлеровского наступления на Москву. Бои велись уже на берегах Истринского водохранилища. Были потеряны Солнечногорск и Клин. Бои приблизились к деревне Крюково – важному узлу дорог вблизи столицы. Несколько раз она переходила из рук в руки.
Но в это время Ставка Верховного главнокомандования и командование Западного фронта уже подготовило контрнаступление. Для участия в нем действующие армии получили пополнения отборными соединениями. 16-я армия, как никакая другая, была укомплектована и артиллерийскими полками. 7 декабря армия Рокоссовского начала наступление и ко второй половине дня освободила город Истру. Под Сухиничами (Калужская область) Рокоссовский получил тяжелое ранение. По излечении он на короткое время вновь вернулся командовать 16-й армией, а затем был назначен командующим войсками Брянского фронта, считавшегося относительно спокойным.
В конце сентября 1942 года Рокоссовскому позвонил Сталин и, поинтересовавшись, не скучно ли ему на Брянском фронте, предложил приехать в Москву, где уже шло обсуждение плана контрнаступления под Сталинградом. Вылетев вместе с Жуковым под Сталинград, Рокоссовский вступил в командование Донским фронтом, растянувшимся на 400 км. Перед началом контрнаступления войска получили свежие пополнения. 19 ноября началось контрнаступление, и войска 6-й немецкой армии оказались зажатыми в кольцо. Дальнейшим планом предусматривалось расчленение окруженных войск Паулюса встречными ударами Сталинградского и Донского фронтов. Для усиления войск Рокоссовского Ставка передала ему отборную 2-ю гвардейскую армию под командованием Р.Я.Малиновского.
Ставка уже утвердила план завершения Сталинградской битвы, но в это же время были получены первые известия о начале операции «Зимняя гроза» по деблокированию 6-й армии. Командующий Сталинградским фронтом генерал А.И.Еременко сообщил, что он не сможет имеющимися у него силами отразить наступление группы армий «Дон», и попросил усилить свои войска. Василевский настоял перед Сталиным на том, чтобы 2-я гвардейская армия была использована против группы армий «Дон». Рокоссовский пытался возражать, но безрезультатно. Сталин лишь разрешил Рокоссовскому прекратить операцию по расчленению войск Паулюса и перейти к обороне.
После отражения наступления группы армий «Дон» армия Малиновского была передана в состав Сталинградского фронта. Становилось очевидно, что сокращение масштабов операции и сосредоточение ее на одном объекте требовали передачи управления единому командующему. Им мог быть или командующий Сталинградским фронтом А.И.Еременко, или командующий Брянским фронтом К.К.Рокоссовский. Выбор Сталина пал на Рокоссовского.
