Главным направлением являлось центральное, на котором были сосредоточены основные массы гитлеровских войск, нацеленных на захват Москвы. Но Генеральный штаб не смог своевременно предугадать замысел противника, который планировал окружить под Вязьмой и Брянском значительные массы войск Западного, Резервного и Брянского фронтов, а в дальнейшем пехотными соединениями наступать на Москву с запада, а танковыми группами охватить столицу с севера и юга. 30 сентября началась операция «Тайфун»; противнику удалось прорвать фронт и окружить в районе Вязьмы четыре советские армии.

Для удержания самыми жесткими мерами обороны в районе Гжатска и Можайска туда прибыли представители Государственного комитета обороны В.М.Молотов и К.Е.Ворошилов, а в качестве представителя Ставки – Василевский. Буденный, потерявший связь со своими войсками, был отстранен от командования Резервным фронтом, командующему Западным фронтом генералу Коневу угрожал трибунал. Положение спас Г.К.Жуков, принявший командование Западным фронтом и взявший Конева своим заместителем.

В результате нависшей над Москвой угрозы большая часть Генерального штаба была эвакуирована в Куйбышев. В Москве осталась лишь оперативная группа для обслуживания Ставки из десяти человек, руководить которой было поручено Василевскому.

В разгар битвы за Москву по личному указанию Сталина Василевскому было присвоено звание генерал-лейтенанта.

В конце ноября Шапошников заболел, и обязанности начальника Генерального штаба были временно возложены на Василевского. С его именем связано руководство наступлением Калининского фронта (командующий И.С.Конев), первым перешедшего в контрнаступление в ночь на 5 декабря, а также координация действий Юго-Западного фронта по освобождению Ростова-на-Дону.

Несмотря на тщательно проведенную разведку, советскому командованию не удалось точно узнать планы противника. Генеральный штаб по-прежнему считал, что значительные немецкие резервы сосредоточены на центральном направлении, в то время как вермахт готовил основное наступление на Кавказ с целью захвата источников нефти.

Было решено провести несколько отдельных операций под Ленинградом, Смоленском, Харьковом и в Крыму.

В мае 1942 года из-за тяжелого заболевания Шапошников был освобожден от обязанностей начальника Генерального штаба. Последние были возложены на Василевского. Ему было присвоено звание генерал-полковника.

В мае для Красной Армии вновь началась полоса неудач. В самом начале месяца немецкие войска прорвались в Крым. Начался последний этап обороны Севастополя, продлившийся до 4 июля. В те же дни развернулись операции в районе Харькова. Вначале они шли успешно, но вскоре немецкие войска сами перешли в наступление и к середине мая вышли в тыл войскам Юго-Западного фронта и развернули наступление на юг в направлении Кавказа и Сталинграда.

К концу августа Василевский приехал в район Сталинграда на Юго-Восточный фронт, которым командовал А.И.Еременко. Ставка приказала принимать все необходимые меры по мобилизации населения, но не сдавать Сталинграда. После разговора со Сталиным Василевский принял решение сосредоточить севернее и северо-западнее Сталинграда две-три армии из резерва Ставки и их силами ликвидировать части прорвавшегося противника. Вскоре туда приехал Жуков, а Василевский улетел в Москву.

В конце сентября Василевский вновь вернулся на Юго-Восточный фронт, где внимательно изучалась обстановка в ходе подготовки наступления с целью окружения всей немецкой группировки в Сталинграде. Операция готовилась в строжайшей секретности, о ней знали лишь немногие из высшего командного руководства.