В 1943 г. А. М. Василевский активно участвовал в подготовке и осуществлении разгрома противника на Курской дуге. Вместе с Г. К. Жуковым отстоял замысел проведения Курско-Орловской битвы на основе варианта преднамеренной обороны с последующим переходом в контрнаступление. Василевский стал непосредственным свидетелем ожесточенного танкового сражения под Прохоровкой, наблюдая его с командного пункта 5-й гвардейской танковой армии. В отправленной им через день Сталину телеграмме говорилось: «Вчера сам лично наблюдал к юго-западу от Прохоровки танковый бой наших 18-го и 29-го танковых корпусов с более чем 200 танками противника. В результате поле боя в течение часа было усеяно горящими немецкими и нашими танками. В течение двух дней боев 29-й танковый корпус (армии) Ротмистрова потерял безвозвратными и временно выбывшими из строя до 60 % и 18-й танковый корпус — 30 % танков». Курская битва, в которой вермахт потерял 30 дивизий и свои лучшие танковые войска, завершила коренной перелом в Великой Отечественной войне.
В 1944 г. в ходе освобождения Крыма Василевский координировал действия 4-го Украинского фронта, отдельной Приморской армии, сил Черноморского флота и Азовской военной флотилии; при освобождении Правобережной Украины — действия 3-го и 4-го Украинских фронтов; при освобождении Белоруссии (операция «Багратион») и Прибалтийских республик — действия 3-го и 2-го Белорусских фронтов, 1-го и 2-го Прибалтийских фронтов.
В войсках Александр Михайлович проводил львиную долю времени: из 34 месяцев войны на посту начальника Генерального штаба он 22 месяца находился на фронтах, не переставая одновременно направлять работу Генштаба, что свидетельствует о его высочайшей организованности и работоспособности.
Василевский поддерживал молодых и талантливых военачальников: это он заметил выдающиеся способности начальника штаба фронта А. И. Антонова, пригласил его на работу в Генштаб, добился у Сталина доверия к нему. Благодаря Василевскому командующим 3-м Белорусским фронтом был назначен молодой талантливый генерал И. Д. Черняховский.
После гибели Черняховского А. М. Василевский был назначен командующим 3-м Белорусским фронтом (февраль 1945-го) и одновременно членом Ставки ВГК. На посту начальника Генштаба по рекомендации самого Александра Михайловича его сменил А. И. Антонов.