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.
Перед началом операции «Кольцо» Рокоссовский предъявил командованию 6-й армии ультиматум, предложив им сдаться на почетных условиях с оказанием медицинской помощи, предоставлением полноценного питания, сохранением личного холодного оружия офицерам и боевых наград. Немецкое командование приняло парламентеров, но объявило им, что не имеет приказа на сложение оружия. На следующий день началась операция «Кольцо», а 27 января и сдача в плен немецких солдат и офицеров. 31 января сдался командующий 6-й немецкой армией генерал-фельдмаршал фон Паулюс. Он был привезен в штаб фронта и допрошен К.К.Рокоссовским и представителем Ставки маршалом артиллерии М.И.Вороновым. Паулюсу предложили отдать приказ о капитуляции своих войск во избежание бессмысленного кровопролития, но он отказался, сказав, что теперь не является их командующим.
Уже к утру следующего дня к части города, занятой немецкими войсками, была стянуты все гвардейские минометы. Плотность орудий на километр фронта доходила до 338. А всего минометов было 1656. После пятнадцатиминутного огневого налета началась массовая сдача в плен всей 91-тысячной сталинградской группировки. За Сталинградскую битву Рокоссовский был награжден орденом Суворова I степени.
Донской фронт был переименован в Центральный, и все его силы было приказано переместить в район Ельца. Однако значительных результатов достичь не удалось, и фронт стабилизировался в районе Курска и Орла. В ходе наступления советских войск образовалась Курская дуга, северный фас которой занимал Центральный фронт, перешедший к обороне.
Гитлеровское командование на протяжении нескольких месяцев готовило операцию «Цитадель», намереваясь нанести в расположении Центрального фронта главный удар на Поныри, которые обороняла 13-я армия генерала Н.П.Пухова. В ночь с 4 на 5 июля командарм позвонил Рокоссовскому и сообщил, что захвачен разведкой немецкий сапер, делающий проходы в минных полях, который сообщил, что в 3 часа ночи начнется немецкое наступление. Рокоссовский сообщил об этом Жукову, находившемуся в штабе фронта. Тот ответил, что время терять нельзя и предоставил Рокоссовскому право самому решать, открывать ли артиллерийскую подготовку. Рокоссовский отдал соответствующее приказание. Жуков немедленно доложил Сталину о начале Курской битвы. Немецкие войска все же начали наступление. Получив сведения об атаках противника, Рокоссовский не стал требовать от командиров срочных донесений, а объявил своему штабу, что отправляется спать. Он знал, что командармы позвонят сами, когда у них появятся новости.