Великая Отечественная война август — декабрь 1941: начальник штаба Закавказского фронта декабрь 1941 — январь 1942: начальник штаба Кавказского фронта январь — март 1942: начальник штаба Крымского фронта
Составил план Керченско-Феодосийской десантной операции. В марте 1942 отстранен от должности начальника штаба фронта по представлению Мехлиса[2]. Далее: май — июль 1942: заместитель командующего войсками Сталинградского военного округа, июль 1942 года — февраль 1943: командующий войсками 57-й армии на Сталинградском фронте, февраль 1943 года — март 1943: командующий войсками 68-й армии на Северо-Западном фронте. Участвовал в Старорусской операции в марте 1943 года. 19 января 1943 года — присвоено звание «генерал-лейтенант», 28 апреля 1943 года — присвоено звание «генерал-полковник» 21 сентября 1943 года — присвоено звание «генерал армии».
С марта 1943 года Ф. И. Толбухин командовал войсками Южного (преобразованного 20 октября 1943 года в 4-й Украинский фронт) и с мая 1944 года — 3-го Украинского фронтов. С 12 сентября 1944 года — Маршал Советского Союза. Руководил войсками армии в Сталинградской битве, участвовал в освобождении Румынии, Болгарии, Югославии, Венгрии, Австрии. С сентября 1944 года — председатель Союзной контрольной комиссии в Болгарии.