Оправившись от ранения, Мерецков был рекомендован на учебу в военную академию РККА и стал слушателем ее первого набора. За время учебы он дважды проходил стажировку на фронте.
Окончив академию осенью 1921 года, Мерецков был назначен начальником штаба 1-й Томской сибирской дивизии. Через три года он вернулся в Москву и стал работать в штабе Московского военного округа. В 1928 году Мерецков окончил курсы усовершенствования высшего начсостава и был направлен в 14-ю стрелковую дивизию.
В 1931 году в рамках программы сотрудничества РККА и рейхсвера его направили на учебу в Германию. Вернувшись на родину, Мерецков получает назначение на должность начальника штаба Белорусского военного округа. В 1935 году он становится начальником штаба особой Дальневосточной армии.
Осенью 1936 года Кирилл Афанасьевич Мерецков был отправлен в Испанию. Он являлся старшим военным советником Главного штаба республики. Мерецков оказывал помощь в формировании и обучении интернациональных бригад, в обороне Мадрида, в организации разгрома марокканского корпуса на реке Харама и экспедиционного корпуса под Гвадалахарой. Из Испании он вернулся на родину в мае 1937 года.
Он продолжал продвигаться по служебной лестнице, и летом 1937 года был назначен заместителем начальника Генерального штаба РККА. С 1938 года он стал одновременно исполнять обязанности секретаря Главного военного совета Наркомата обороны. Потом Мерецков возглавил Приволжский военный округ, а с зимы 1939 года был назначен командующим Ленинградским военным округом. Осенью того же года он стал командующим 7-й общевойсковой армией.
В звании командарма 2-го ранга Мерецков участвовал в советско-финляндской войне.
29 ноября 1939 года командующий Мерецков подписал план операции по разгрому сухопутных и морских сил финской армии, а уже 30 ноября войска Красной Армии перешли границу. Одновременно авиация подвергла бомбардировке Хельсинки и другие крупные города. В ходе кампании Мерецков руководил прорывом «линии Маннергейма». Боевые действия развивались с переменным успехом. С большими трудностями советские войска прорывали укрепленные линии финской обороны.
12 марта в Москве был подписан мирный договор с Финляндией, по которому Советскому Союзу отходила территория Карельского перешейка с Выборгом.
После завершения войны Мерецков остался на посту командующего Ленинградским военным округом. За период с лета 1940 года и до начала Великой Отечественной войны он был на должности заместителя наркома обороны и недолгое время возглавлял Генеральный штаб.
В июне 1941 года Кирилл Афанасьевич был арестован в Москве как участник военного заговора «врагов народа» А.И.Корка и И.П.Уборевича. Во время допросов к нему применялись «физические методы воздействия». Затем он был освобожден из тюрьмы НКВД без каких-либо объяснений и извинений.
После освобождения в качестве представителя Ставки Мерецков был направлен на Северо-Западный и Карельский фронты, располагавшиеся под Ленинградом. 8 августа 1941 года, сконцентрировав силы, немецкие части начали генеральное наступление на Ленинград. Несмотря на героическое сопротивление советских частей, 20 августа немцы перерезали стратегическую трассу Москва – Ленинград и начали окружение советских войск. В начале сентября 1941 года началась перестановка командных кадров, в результате чего 10 сентября 1941 года общее руководство обороной Ленинграда было возложено на Жукова. Однако блокаду города предотвратить не удалось. Мерецков возглавлял сначала 7-ю, а затем 4-ю армии, а в декабре 1941 года он был назначен командующим Волховским фронтом. Войска его фронта успешно обороняли, а затем завершили разгром немецкой группировки под Тихвином, что имело исключительное значение для судьбы Ленинграда.
В январе 1943 года войска Волховского фронта под командованием Мерецкова совместно с соединениями Ленинградского фронта участвовали в прорыве Ленинградской блокады. При прорыве блокады Мерецков проявил себя мастером преодоления сильно укрепленных позиций противника в условиях болотистой местности. Войска фронта наносили основной удар по противнику через Синявинские торфяные болота. С точки зрения маневренности войск место было не лучшим, но Мерецков выбрал его по двум причинам. Во-первых, это был самый кратчайший путь (всего 15 км) до соединения с частями Ленинградского фронта, а во-вторых, здесь противник не ожидал активного наступления советских войск. Основной удар наносила 2-я армия Волховского фронта, укрепленная резервом, выделенным Ставкой. Особое внимание Мерецков сосредоточил на артиллерии, сумев создать большую плотность огня – до 100 орудий и минометов на один километр фронта. Авиация также активно действовала на этом направлении (14-я воздушная армия). Наступление началось 12 января, и после тяжелейших семидневных боев войска Волховского и Ленинградского фронтов соединились – блокада была прорвана.