Отдавая приказ старшему лейтенанту Шолохову прикрыть своим взводом деревню Нестерное, никто и не предполагал, что они столкнутся с надвигающейся фашистской танковой армадой. Однако советские танкисты не испугались численно многократно превосходивших их врагов и смело вступили в бой. Местность вокруг деревни благоприятствовала обороняющимся, многочисленные балки и лощины затрудняли маневр.
Кроме танка Шолохова во взводе также были машины сержантов Г.П. Сергеева и А.С. Калинина. Расположившись на окраине деревни, они встретили фашистскую колонну орудийным огнем. Вот от выстрела командира взвода загорелся головной танк. Еще по два смогли подбить экипажи Сергеева и Калинина.
Маневрируя и часто меняя позицию, три Т-34 создавали впечатление присутствия крупных сил. За два часа боя они смогли отразить пять атак врага. Поняв, что так просто мимо деревни не пробиться, фашисты решили обойти ее дальней стороной по дну балки.
К этому времени во взводе Шолохова на ходу остался только командирский танк. Погиб Калинин и его экипаж. Был серьезно поврежден и выбыл из боя танк Сергеева.
Старший лейтенант разгадал вражеский маневр и снова сменил позицию. Его танк удачно расположился на склоне балки. Она была очень узкая и позволяла вражеским машинам двигаться только одна за другой. Открыв губительный огонь по немецким танкам, экипаж Шолохова бил их прямо в крышу башни. Фашисты же не могли задрать стволы своих орудий на такой угол, чтобы советский танк попал в зону их поражения. Пользуясь этим обстоятельством, Дмитрий Шолохов уничтожил 24 танка.
Это был невиданный и фантастический результат — уничтожить столько танков в одном бою! Никто из советских танкистов, ни до ни после, не смог его превзойти. Таким образом, Дмитрий Дмитриевич Шолохов является самым результативным советским танковым асом по итогам одного боя.
Здесь необходимо сделать небольшое отступление. Дело в том, что в послевоенное время по неизвестной причине число уничтоженных Шолоховым немецких танков было уменьшено до восьми. Вероятно, кто-то просто разделил их количество на три экипажа, принимавших участие в обороне деревни Нестерное.
Между тем общее количество уничтоженных в тот день Шолоховым немецких танков, учитывая и подбитый в самом начале боя, составило 25. В наградном же листе указаны только 24, которые нашли себе могилу на дне балки в конце боя.
Также подтверждением уничтожения 25 немецких танков является вышедший в свет 31 января 1943 года четвертый номер журнала «Огонек». На его 2-й странице была помещена фотография Дмитрия Шолохова и маленькая заметка «Подвиг юного героя». В ней говорилось: «Гвардии старший лейтенант Д.Д. Шолохов в бою южнее Сталинграда совершил героический подвиг. Находясь со своим танком в засаде, он в течении пяти часов вел неравный бой с фашистскими танками и пехотой. Итог этого поединка — 25 сожженных немецких танков и десятки убитых гитлеровцев».
В июле 1942 года старшего лейтенанта Шолохова назначили на должность помощника начальника штаба 158-й танковой бригады по оперативной работе. В это же время в его жизни произошло еще одно важное событие: он был принят в члены ВКП(б).