В январе 1942 года, когда войска Калининского фронта, отбросив немцев, делили трофеи, 8-ю танковую бригаду за стойкость в обороне и массовый героизм в ходе наступления преобразовали в 3-ю гвардейскую. Полковника Ротмистрова наградили орденом Ленина.
В середине апреля 1942 года полковника Ротмистрова назначили командиром 7-го танкового корпуса. По сути дела, 3-ю гвардейскую бригаду развёртывали в корпус. Ставка снова возвращалась к корпусной системе организации войск.
В конце июня на юге в районе Острогожска осложнилась обстановка. Возникла угроза захвата немцами Воронежа. Корпус срочно перебросили в район Ельца и включили в состав 5-й танковой армии. Армией командовал генерал А. И. Лизюков. Во время боевых действий корпус действовал успешно, основательно потрепал 11-ю танковую дивизию противника. Однако операция в целом была проведена неудачно. Танковая армия в дело вводилась по частям, согласованного и единого удара не получилось, и противник парировал разрозненные атаки последовательно. Тем не менее 21 июля 1942 года Ротмистрову присвоено звание генерал-майора танковых войск, и через несколько дней 7-й корпус включён в состав Сталинградского фронта.
В сентябре корпус принял участие в наступлении в полосе 1-й гвардейской армии. На его долю выпали крайне тяжёлые потери — из 180 танков уцелело только 15 — и он был выведен в резерв на пополнение. После пополнения боевыми машинами и экипажами корпус получил задачу действовать совместно в пехотой 2-й гвардейской армии в районе Котельникова. Решительной атакой бригады Ротмистрова захватили немецкий аэродром, посёлок Котельниково и одноимённую железнодорожную станцию, нанеся противнику большой урон и захватив богатые трофеи. 29 декабря 1942 года за мужество и героизм личного состава и умелое управление боевыми действиями командованием корпус преобразован в 3-й гвардейский с присвоением наименования Котельниковский.
В начале 1943 года 3-й гвардейский корпус совместно с 2-й гвардейской армией успешно сражался в районе Ростова-на-Дону. 22 февраля 1943 года за умелое управление войсками Ротмистрову присвоено воинское звание генерал-лейтенанта танковых войск, вручён орден Суворова 2-й степени за № 3. И тут же последовало новое назначение — командующим 5-й гвардейской танковой армией.
Назначению на 5-ю гвардейскую предшествовала встреча с Верховным главнокомандующим. В своих мемуарах главный маршал бронетанковых войск П. А. Ротмистров подробно описал эту встречу: «За длинным столом сидели члены Политбюро ЦК ВКП(б), Ставки и правительства. Почему-то в первое мгновение мой взгляд скользнул по лицу В. М. Молотова, поправлявшего пенсне. Сталин, стоявший в глубине кабинета с неизменной трубкой в слегка согнутой руке, медленно двинулся мне навстречу. Я остановился и по-уставному доложил о прибытии по его приказанию.
— Я вам не приказывал, я вас пригласил, товарищ Ротмистров, — подал мне руку Сталин. — Рассказывайте, как громили Манштейна.
Меня это несколько смутило: ведь Верховному наверняка в подробностях было известно о боях с войсками противника, рвавшимися на выручку группировке Паулюса, окружённой под Сталинградом. Но коли он спрашивает, я начал рассказывать, анализируя эти бои, тактику действий 3-го гвардейского танкового корпуса в наступлении на Рычковский и Котельниково.
Сталин бесшумно прохаживался вдоль стола, изредка задавая мне короткие вопросы. Внимательно слушали меня и все присутствующие. Мне даже подумалось, что Верховный предложил рассказать про бои с Манштейном скорее всего именно для них.
Как-то незаметно Сталин перевёл разговор на танковые армии.
— Наши танковые войска, — сказал он, — научились успешно громить противника, наносить ему сокрушительные и глубокие удары. Однако почему вы считаете нецелесообразным иметь в танковой армии и пехотные соединения?
Верховный остановился и прищуренным взглядом пристально посмотрел мне в глаза. Я понял, что кто-то сообщил ему моё мнение.
— При наступлении стрелковые дивизии отстают от танковых корпусов. При этом нарушается взаимодействие между танковыми и стрелковыми частями, затрудняется управление между ушедшими вперёд танками и отставшей пехотой.
— И всё же, — возразил Сталин, — как показали в общем-то смелые и решительные действия танкового корпуса генерала Баданова в районе Тацинской, танкистам без пехотинцев трудно удерживать объекты, захваченные в оперативной глубине.
— Да, — согласился я. — Пехота нужна, но моторизованная. Именно поэтому я считаю, что в основной состав танковой армии помимо танковых корпусов должны входить не стрелковые, а мотострелковые части.
— Вы предлагаете пехоту заменить механизированными частями, а командующий танковой армией Романенко доволен стрелковыми дивизиями и просит добавить ему ещё одну-две такие дивизии. Так кто же из вас прав? — спросил молчавший до этого В. М. Молотов.