Воинское звание «полковник» Михаил Ефимович получил 17 февраля 1938 года, исполняя обязанности командира 5-й легкотанковой бригады.
20-я танковая дивизия под командованием М. Е. Катукова с первых дней Великой Отечественной войны принимала активное участие в боях против гитлеровских захватчиков в составе 9-го механизированного корпуса генерала К. К. Рокоссовского на Юго-Западном фронте. Дивизии пришлось решать боевые задачи в очень сложных условиях, участвовать в контрударах в районе Луцк, Дубно, Броды. Из-за значительного превосходства немецко-фашистских войск в силах и средствах танкисты М. Е. Катукова вынуждены были с тяжелыми боями отходить в восточном направлении, нанося при этом ощутимые удары по врагу. Вскоре дивизия потеряла все танки, а личного состава осталось около двух тысяч человек. 9 сентября дивизия была расформирована — участь почти всех танковых дивизий того периода.
Полковник М. Е. Катуков был назначен командиром 4-й танковой бригады, формировавшейся недалеко от Сталинграда.
Осенью 1941 года основные военные события развернулись на московском направлении. На полях Подмосковья шли кровопролитные бои. Враг стремился разбить наши войска и с ходу овладеть Москвой.
В первых числах октября сложилась особенно тяжелая обстановка на орловском направлении. Туда был срочно направлен ряд частей и соединений, в том числе и 4-я танковая бригада. В ожесточенных боях на Орловско-Мценском направлении бригада за восемь дней непрерывных боев уничтожила 133 танка, 49 орудий и 8 самолетов противника. Танкисты Катукова успешно выполнили поставленную боевую задачу — более чем на неделю задержали продвижение 2-й танковой группы генерала Гудериана и вместе с другими частями сорвали вражеский план обойти Москву с юго-востока.
Бригада Катукова потеряла 19 танков, из них 7 сгорели, а 12 были восстановлены и заняли место в боевом строю.
Гудериан записал в те дни в своем дневнике: «Это был первый случай, когда огромное превосходство Т-34 над нашими танками стало совершенно очевидным. От стремительного наступления на Тулу, запланированного нами, пришлось отказаться».
Танкисты Катукова тогда бросили клич: «Один советский танк должен бить двадцать немецких танков!» Это были не просто слова. Танкисты бригады стремились к этому, проявляли военное мастерство, мужество и отвагу. Среди них можно назвать Павла Заскалько, Александра Замулла, Ивана Любушкина, Александра Бурду… Любушкин, например, обладал исключительной выдержкой и мужеством, подпускал врага на 200 метров и бил в упор, без промаха, с первого выстрела. За один бой он уничтожил 11 фашистских танков. Когда ему было присвоено звание Героя Советского Союза, он взволнованно повторял: «Почему мне дали Героя? Ведь все дрались отважно, все достойны». Не дошел Иван Любушкин до Берлина. Навечно остался на воронежской земле…
18 декабря у деревни Горюны на Волоколамском шоссе погиб танкист Дмитрий Федорович Лавриненко, родом с Кубани. Ему было 27 лет. Он участвовал в 28 боях, уничтожил 52 вражеских танка. Еще до гибели он был представлен к званию Героя Советского Союза, был подписан наградной лист… Но в Москве не поверили, что один танк мог уничтожить за столь короткое время 52 вражеские машины! Не раз М. Е. Катуков, С. М. Буденный, К. К. Рокоссовский, другие военачальники и ветераны-танкисты уже в послевоенные годы настойчиво поднимали вопрос о посмертном присвоении Дмитрию Лавриненко, воину-легенде, геройского звания. Справедливость восторжествовала, но к тому времени мать героя-танкиста скончалась в доме престарелых…
В ноябре 1941 года 4-я бригада была преобразована в 1-ю гвардейскую танковую бригаду. Гвардейцы-танкисты защищали Москву на Можайском, а затем на Волоколамском направлениях, контрнаступали под Москвой, освобождая города и населенные пункты.
Эта бригада стала родоначальницей танковой гвардии, а самого командира, который водил ее в бой, называли первым танкистом-гвардейцем.
В апреле 1942 года генерала М. Е. Катукова и комиссара бригады М. Ф. Бойко вызвал к себе начальник Главного автобронетанкового управления Красной Армии генерал Я. Н. Федоренко.
— У меня для вас приятная новость, — сказал Яков Николаевич. — Приказом наркома вы, Катуков, назначаетесь командиром первого танкового корпуса, а товарищ Бойко — комиссаром.
После сформирования и боевого слаживания 1-й танковый корпус прибыл в состав войск Брянского фронта. Боевое крещение он получил 30 июня 1942 года, когда нанес контрудар во фланг и тыл вклинившейся группировке противника во взаимодействии с 16-м танковым корпусом.