元帅|苏军坦克防御战专家，朱可夫麾下先锋大将，卡图科夫元帅( 三 ) 元帅|麾下|大将|先锋|朱可夫

卡图科夫带领重建后的第四机械化直面古德里安装甲集团军的攻势，战斗一直持续了近两个月。
卡图科夫依靠自己在乌克兰的经验结合装甲防御作战教材，将坦克掩体和坦克机动堑壕与步兵的野战防御工事相结合，坦克手们就像狙击手一样，他们永远只会将坦克的炮塔漏出地面，开一次火就换一个地方，而僚车也会以交替开火互相掩护的形式有序的转移位置。
卡图科夫上校创造性的战术在莫斯科保卫战中被证明是非常成功的，在两个月的战斗中，第四机械化旅打退了两支德军装甲师的攻击，
摧毁了133辆德军坦克，消灭了近3000名德军，还缴获了15辆履带式牵引车和6门德军火炮。因此苏军统帅部决定将第四机械化旅扩编成装甲集团军，而卡图科夫也因战功和创作了全新的坦克防御战术被晋升为少将。
通常来说如此快速的扩编肯定会带来负面影响，但是莫斯科战役进行的过于激烈，因此第一装甲集团军在11月末的时候其实还是一个坦克旅，不过他们在41年末又一次给了德军一记重击。卡图科夫的部队在冬季反击阶段摧毁了106辆德军坦克，8辆坦克牵引车，51辆摩托和55辆卡车，此外还摧毁了16门150榴弹炮和40门37毫米反坦克炮，而卡图科夫的坦克旅仅仅只损失了33辆坦克，
很快卡图科夫陆续出版了自己的指挥作战心得手册送给各个部队用于参考，因此卡图科夫在第二年再一次得到了晋升。
随着哈尔科夫兵败如山倒，卡图科夫被紧急调往了斯大林格勒方向，他的部队成功的稳住了沃罗涅日方面军摇摆不定的局势，随后配合朱可夫制定并执行了反击计划，
在斯大林格勒合围了保卢斯的第六集团军，一举打破了苏德战场南翼的局势，使得德军不得不迅速后退收缩战线。
1943年的时候，第一装甲集团军又参加了库尔斯克会展。
和铁木辛哥元帅的得意门生——那个横冲直撞如同蛮牛的瓦图京将军不同，卡图科夫在进攻中也保持着冷静与谨慎，
在他的领导下第一装甲集团军以较少的损失给德军造成了极大的伤亡，粉碎了希特勒妄图通过库尔斯克会战扭转局势的野心。
卡图科夫虽然非常谨慎，但这不意味着他谨小慎微，
例如在库尔斯克会战结束后的第一次第聂伯河反击战中，朱可夫元帅也曾一度进攻失利，但卡图科夫与马林诺夫斯基劝告了朱可夫，炮制德军的惯用手法，从敌人南北两翼寻找薄弱地带发动攻击，然后对德军实合围。
结果第二次第聂伯河反击战中德军如同41年的苏联西方面军一样陷入了混乱，被苏军一路连斩打到了战争起始地。
苏军第一装甲集团军在此战中也获得了近卫荣誉称号，成为了近卫第一装甲集团军永载史册，卡图科夫将军也获得了苏联英雄勋章。