После ожесточенных летних боев, 12 сентября 1942 года 158-ю танковую бригаду вывели в резерв Ставки Верховного Главнокомандования на отдых, пополнение личным составом и новой техникой. На основании Директивы заместителя НКО № 1104914 от 12 октября 1942 года она была переформирована в 158-й танковый полк.
По итогам боя под деревней Нестерное Дмитрий Шолохов был представлен к званию Героя Советского Союза. Пока его утверждали высшие инстанции, отважный танкист и не думал отсиживаться в тылу. Он активно участвовал в боевых действиях по защите Сталинграда, где снова смог отличиться:
Но более высокое командование решило по-другому. 11 декабря 1942 года Приказом войскам 57 армии № 0131/н за образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецкими захватчиками и проявленные при этом мужество и доблесть старший лейтенант Шолохов Дмитрий Дмитриевич был награжден орденом Красной Звезды.
А чуть раньше, в самом начале декабря 1942 года, он был удостоен высшей награды Родины. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 2 декабря 1942 года за образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецкими захватчиками и проявленные при этом отвагу и геройство старшему лейтенанту Шолохову Дмитрию Дмитриевичу было присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда» (№ 726).
Приказом народного комиссара обороны СССР № 394 от 18 декабря 1942 года за мужество и героизм личного состава, проявленные во время обороны Сталинграда, 158-й отдельный танковый полк был преобразован в 42-й гвардейский отдельный танковый полк. В составе 3-го гвардейского механизированного корпуса он участвовал в завершающей фазе Сталинградской битвы.
Полученное Дмитрием Шолоховым высокое звание Героя Советского Союза обязывало с еще большей самоотдачей выполнять возложенные на него задачи. И он с честью с этим справлялся. В боевой характеристике, написанной на него 7 февраля 1943 года начальником штаба 42-го гвардейского отдельного танкового полка гвардии майором Константиновым, отмечалось: «В последних боях на Сталинградском и Южном фронтах в составе 42-го (158) отдельного танкового полка т. Шолохов разумно и умело управлял боем танковых подразделений. В трудных условиях боевой обстановки сам садился в танк, уничтожал живую силу и технику противника. Полк, в котором работает т. Шолохов, прошел с боями свыше 400 км. Тов. Шолохов повседневно изучает опыт боевых действий на фронтах Отечественной войны, а свой опыт передает товарищам. Пользуется заслуженным, деловым авторитетом среди всего личного состава полка.
ВЫВОД: Занимаемой должности вполне соответствует, может быть использован в должности начальника штаба танкового полка».
Директивой заместителя народного комиссара обороны СССР № УФ/2/831 от 20 апреля 1943 года 42-й гвардейский отдельный танковый полк был преобразован в 36-ю гвардейскую танковую бригаду. Гвардии капитан Шолохов остается в ней на прежней должности заместителя начальника штаба.
Даже в годы тяжелых испытаний вооруженные силы нуждались в высококвалифицированных кадрах, имеющих ценный боевой опыт. В мае 1943 года командование направляет гвардии капитана Д. Шолохова на учебу в Военную академию бронетанковых и механизированных войск Красной армии им И.В. Сталина.
Высокое чувство ответственности не позволяло молодому Герою расслабляться ни на минуту. Он учился в академии с полной самоотдачей, жадно впитывал в себя все новые знания. Его способность к глубокому анализу обстановки, быстрая реакция, хладнокровие и другие качества не раз отмечались преподавателями.
24 июня 1945 года Герой Советского Союза гвардии капитан Д.Д. Шолохов в составе сводного полка военных академий участвовал в Параде Победы в Москве.