В конце сентября 1942 г. немцы местами прорвались к Волге. Вместе с Г. К. Жуковым Рокоссовский срочно вылетел под Сталинград. Прояснив ситуацию, Георгий Константинович приказал ему принять командование Сталинградским фронтом, вскоре переименованным в Донской. Ставкой ВГК совместно со штабами фронтов (Юго-Западного, Донского и Сталинградского) были разработаны планы предстоящего наступления, одновременно готовились войска и техника. Нанесением двух мощных ударов сталинградская группировка немцев была окружена, но они продолжали отчаянно сопротивляться. Для лучшей координации действий фронтов командовать операцией «Кольцо» приказали Рокоссовскому. Он лично разработал план действий, по которому предстояло ударами по центру окруженной группы войск с двух сторон расчленить и ликвидировать ее. Предъявив командованию 6-й немецкой армии ультиматум, Рокоссовский предложил им сдаться. Парламентеры были приняты, но от капитуляции противник отказался, и 10 января операция началась. Через 21 день сдался в плен командующий 6-й армией генерал-фельдмаршал Паулюс, а 2 февраля – остатки войск, всего свыше 90 тысяч пленных, в том числе 2500 офицеров и 24 генерала. За Сталинградскую битву Рокоссовский был награжден орденом Суворова 1-й степени.
В конце марта 1943 г. Центральный фронт Рокоссовского образовал северный фас, а Воронежский фронт Н. Ф. Ватутина – южный фас выступа, названного «Курской дугой». Константин Константинович предположил, что именно в этом месте противник попытается взять реванш за поражение под Сталинградом, и на свой риск сосредоточил здесь основные силы. Наступило затишье, которое обе стороны использовали для подготовки к летней кампании. Гитлеровское командование готовило операцию «Цитадель». В местах вероятных ударов, с севера и юга, концентрировались войска и техника. В ночь с 4 на 5 июля разведка сообщила о немцах, делавших проходы в минных полях. Времени на запрос в Ставку не было. Рокоссовский сообщил об этом Жукову и приказал начать контрнаступление, вошедшее в историю как Курская битва. Всего на десять минут раньше начатая артподготовка нарушила противнику систему управления войсками и нанесла ему большой урон, особенно артиллерии. Измотанные боями, обе стороны перешли к обороне, и лишь 5 августа войска Центрального фронта освободили Орел. Тогда командующий и показал себя мастером наступления. До конца сентября армии Рокоссовского продвинулись на 300 км, освободив Курскую область, юг Брянской, северные районы Левобережной Украины и юго-восток Белоруссии.
С 1943 г. Центральный фронт был преобразован в Белорусский. Стремясь удержаться в Белоруссии, германское командование сосредоточило там крупные силы. Рокоссовский приступил к разработке операции по ее освобождению. Изучение обороны противника показало целесообразность нанесения на правом фланге двух главных ударов, что шло вразрез с установившимся представлением о нанесении одного мощного удара. Два главных удара затрудняли маневр противника, дезориентировав его, и позволяли одновременно ввести в бой все силы (собрать в «один кулак» большое количество войск мешали леса и болота). При отработке плана в Ставке Верховный главнокомандующий настаивал на выступлении с плацдарма на Днепре – одним главным ударом. Обстановка накалилась. Дважды Рокоссовскому предлагали выйти в соседнюю комнату обдумать предложение Ставки. Тактичный и внимательный к окружающим, Константин Константинович был требовательным и волевым в работе. Проявив силу духа и твердость характера, он отстоял свою точку зрения. Убедившись в его уверенности, Сталин утвердил операцию, получившую название «Багратион». Войскам четырех фронтов ставилась задача: разгромив противника в районе Витебск – Бобруйск – Минск, освободить Белоруссию; начав освобождение Польши, перенести военные действия на территорию Германии. За подготовку и проведение этой сложной стратегической операции 29 июня 1944 г. К. К. Рокоссовскому присвоили звание Маршала Советского Союза. 3 июля был освобожден Минск. Развивая наступление, войска овладели Брестом, освободили юго-западную Белоруссию и восточные районы Польши, укрепились на Висле – севернее и южнее Варшавы. 30 июля 1944 г. К. К. Рокоссовскому было присвоено звание Героя Советского Союза, а в ноябре Сталин назначил его командующим войсками 2-го Белорусского фронта; 1-й Белорусский возглавил Г. К. Жуков. И без того непростые отношения маршалов еще более осложнились.