В Белорусской наступательной операции 5-я гвардейская танковая армия являлась эшелоном развития успеха 3-го Белорусского фронта. По приказу командующего фронтом генерала армии И. Д. Черняховского она была введена в прорыв, в полосе 5-й армии для действий вдоль Минской автомагистрали с задачей форсировать Березину в районе Борисова и захватить плацдарм на западном берегу реки.
Маршал бронетанковых войск Ротмистров решил построить армию в один эшелон с выделением сильного резерва. Непосредственно вдоль Минской автомагистрали наступал 3-й гвардейский Котельниковский корпус генерала И. А. Вовченко (вернувшийся в армию перед операцией), справа от него — 29-й танковый корпус генерала Е. И. Фоминых. Передовые отряды корпусов, каждый в составе усиленной бригады, с ходу сбили арьергарды противника и устремились в глубину его обороны. Вслед наступали главные силы армии на Борисов и Толочин. 29–30 июня соединения армии во взаимодействии с 3-м гвардейским мехкорпусом и передовыми частями 11-й армии форсировали Березину, а 1 июля 1944 года освободили Борисов. Замысел фашистского командования закрепиться на Березине был сорван. А в течение следующего дня гвардейцы-танкисты, совершив бросок на 60 километров, овладели районом Белоречье — Пильница в непосредственной близости от Минска. В ночь на 3 июля была уточнена задача армии: одним корпусом обойти Минск с северо-запада, а другим нанести удар с севера и к исходу дня совместно со 2-м гвардейским танковым корпусом освободить столицу Белоруссии. Эта задача была блестяще выполнена. Первыми в Минск на рассвете 3 июля 1944 года ворвались 18-я гвардейская танковая бригада 3-го гвардейского Котельниковского корпуса и 4-я гвардейская танковая бригада 2-го гвардейского танкового корпуса. В середине дня в Минск пробились воины 1-го гвардейского танкового корпуса 1-го Белорусского фронта. Столица Белоруссии была освобождена.
На втором этапе Белорусской операции 5-я гвардейская танковая армия совместно с другими объединениями и соединениями 3-го Белорусского фронта участвовала в освобождении Вильнюса. Маршал бронетанковых войск Ротмистров привел армию в Литву, где для него — тогда полковника Ротмистрова — началась война. На его рабочей карте снова значились Алитус, Каунас, Таураге. Памятные места. С тех пор прошло три года. Много это или мало? Вообще-то, немного даже по масштабам скоротечной, как горный ручей, человеческой жизни. Но это были годы войны, самой суровой и тяжелейшей из всех, которые когда-либо вела Россия… И, вероятно, не раз в эти дни Павел Алексеевич мысленно оглядывал прошлое и тот огненный круг, который замкнулся теперь для него на берегах Немана. Получилось так, что именно в этих местах на берегах Немана он передал сформированную им 5-ю гвардейскую танковую армию новому командующему — генерал-лейтенанту танковых войск В. Т. Вольскому. В августе 1944 года Ротмистров был назначен заместителем командующего бронетанковыми и механизированными войсками Красной Армии и убыл в Москву.
На завершающем этапе Великой Отечественной войны 5-я гвардейская танковая армия, переданная в состав 2-го Белорусского, а затем 3-го Белорусского фронта участвовала в Восточно-Прусской операции, в ходе которой смелым броском к побережью Балтийского моря перерезала основные коммуникации немецко-фашистской группы армий «Центр». День Победы армия встретила у устья Вислы в боях по ликвидации остатков вражеских войск в этом районе.
После окончания Великой Отечественной войны Ротмистров был командующим бронетанковыми и механизированными войсками в Группе советских войск в Германии, а затем на Дальнем Востоке. В 1948 году он вернулся к научно-педагогической деятельности, сначала в Академии Генерального штаба, где возглавлял кафедру бронетанковых и механизированных войск, а затем в Академии бронетанковых войск, начальником которой он был назначен в январе 1958 года. В 1956 году Павел Алексеевич защитил докторскую диссертацию, а в 1958 году ему было присвоено звание профессора.
В эти годы особенно ярко проявился талант Ротмистрова как ученого. Из-под его пера вышел ряд капитальных трудов, среди них монография «Время и танки», в которой прослежены этапы развития танков и танковых войск от их зарождения до современного состояния. Ряд работ посвящен обобщению и анализу действий танковых войск в минувшей войне, рассмотрению путей их дальнейшего совершенствования в связи с появлением новейших средств борьбы.
В апреле 1962 года П. А. Ротмистрову было присвоено звание Главного маршала бронетанковых войск. В течение ряда лет он работал помощником министра обороны СССР по военно-учебным заведениям и внес значительный вклад в совершенствование подготовки офицерских кадров. В мае 1965 года Ротмистров был удостоен высокого звания Героя Советского Союза. Являясь с 1968 года генеральным инспектором Министерства обороны, Павел Алексеевич продолжал плодотворно трудиться до последних дней своей жизни.