1942年6月，西南方向总指挥部撤销。7月，铁木辛哥出任由西南方面军扩编而成的斯大林格勒方面军司令，参加斯大林格勒保卫战。10月，调任西北方面军司令。次年2月，组织指挥西北方面军以突击之势摧毁德军杰米扬斯克登陆场，使其无法利用北方集团军群加强苏德战场南翼。
从1943年3月起，铁木辛哥多次以最高统帅部代表身份协调诸方面军的作战行动，参与组织和实施许多重大战役。1943年3月至6月协调列宁格勒方面军和沃尔霍夫方面军的作战行动，6月至11月协调北高加索方面军和黑海舰队的作战行动。
1944年，苏军展开了气势恢宏的大反攻。从春天开始，苏军连续发动了6次大规模进攻战役，除库尔兰半岛外，在各个方向都前进到1939年国境线。德军在这一系列打击中遭到严重损失，作战兵力捉襟见肘。
苏军最高统帅部大本营正确地判断了所面临的形势，决定在雅西和基什尼奥夫地区实施一次大规模的战略性进攻战役。雅西-基什尼奥夫战役的意图是粉碎雅西-基什尼奥夫地域的法西斯德军集团，解放摩尔达维亚苏维埃社会主义加盟共和国，迫使罗马尼亚退出与法西斯德国结盟的战争。
此次战役由苏军最高统帅部大本营代表、苏联元帅铁木辛哥协调指挥。为了消灭德军集团，铁木辛哥决定投入由马利诺夫斯基大将和托尔布欣大将指挥的乌克兰第二和第三方面军，以及由奥克佳布里斯基海军上将和戈尔什科夫海军少将指挥的黑海舰队和多瑙河区舰队共同执行这次任务。
此次战役苏德双方兵力兵器对比，苏军具有明显的优势，兵力之比为125万比90万，1.4倍于敌；火炮之比为16000门比7500门，2.1倍于敌；坦克和自行火炮之比为1870辆比400辆，4.7倍于敌；飞机之比为2200架比810架，2.7倍于敌。
8月19日傍晚，苏军通过在乌克兰第二、第三方面军内的战斗侦察查明，德军防御部署仍保持原态势。8月20日，苏军经过炮火准备后便发起了进攻。
乌克兰第二方面军第二十七集团军在3小时内便突破德军主要防御地带，中午强渡巴赫卢伊河，突破第二防御地带。第六坦克集团军遂进入突破口。下午2时，其所属第五坦克军投入交战1小时后，第五机械化军也投入交战。
第二十七集团军的突然出现使德军震惊不已。苏军坦克兵利用这一有利态势，迅速前出到沿马雷山构筑的德军第三防御地带。
乌克兰第三方面军的进攻也很顺利，天黑前，第三十七、第四十六、第五十七集团军突破了德军主要防御地带，向纵深推进12公里，在某些地域楔入了德军第二防御地带。战役第一天，两个方面军推进10～16公里，德军损失9个师。
8月21日，第二十七集团军粉碎德军的顽强抵抗后，与第六坦克集团军和航空兵协同，进行了夺取马雷山第三防御地带的战斗。第五十二集团军利用当天进入交战的第十八坦克军的战果，击溃了德军，中午解放了雅西市。
这时，苏近卫第七集团军在第二十三坦克军的配合下占领了特古伏鲁莫斯市。经过两天战斗，乌克兰第二方面军突破德军40公里深的三道防御地带，把突破正面扩大到65公里，形成了迅速追击和合围德军第六集团军的有利态势。乌克兰第三方面军打退德军步兵和坦克的反突击后，经过两天战斗，推进近30公里，把突破正面扩大到95公里。空军第五、第十七集团军出动飞机6350余架次，有力地支援了地面部队的作战行动。
为了尽快全歼德军，8月21日傍晚，铁木辛哥下达命令：各方面军尽快在胡希地域封闭合围圈，歼灭德军集团，以开辟进至罗马尼亚主要经济政治中心的道路。
8月23日日终前，乌克兰第二方面军第六坦克军前出到伯尔拉德地域。第十八坦克军打响了夺取胡希的战斗。当天，乌克兰第三方面军近卫第四军和第七机械化军已前出到普鲁特河渡口，完成了正面向东北的防御。
次日，第五十二集团军和第十八坦克军解放了胡希，并前出到普鲁特河，在那里与乌克兰第三方面军的部队会师。德军25个师有18个师陷入合围。
苏军在合围的对外正面也同时展开了进攻。到8月24日日终前，已推进到距被围德军85～100公里处。这时，乌克兰第三方面军左翼与第四十六集团军与近卫机械化第四军部分兵力和强渡德涅斯特河湾的登陆兵协同，在航空兵和黑海舰队、多瑙河区舰队的舰艇支援下，合围了罗军第三集团军，该集团军很快投降。
8月26日，摩尔达维亚苏维埃社会主义加盟共和国全境解放。8月27日，福克夏尼筑垒地域已被突破。当日晚，在普鲁特河以东被围的德军集团也停止了抵抗。
与此同时，苏军两个方面军同时向布加勒斯特和伊兹梅尔方向发展进攻。到8月29日，乌克兰第三方面军解放了土耳恰、加拉茨、布斯伊拉、康斯坦察和苏利纳等市。至此，雅西一基什尼奥夫战役宣告结束。到9月3日，被围德军零星集群被彻底肃清。
通过8月20日至9月3日的作战，苏军共歼灭德军22个师，其中含被围的18个师，消灭了第一线罗军的几乎全部师，使德军遭受重创。苏军则向纵深推进320～350公里，进入了罗马尼亚内地，并接近了保加利亚边境。
德军在雅西一基什尼奥夫地区的失败，对罗马尼亚的政局产生了重大影响。罗马尼亚的反法西斯力量在共产党领导下，于8月23日举行了武装起义，推翻了安东尼斯库的法西斯统治，成立了新政府。8月24日，罗马尼亚新政府声明退出法西斯集团，并对德宣战。
为了镇压起义，德军于8月24日晨野蛮地轰炸了罗马尼亚首都，并向布加勒斯特发动了进攻，妄图通过“采取一切手段把罗马尼亚从欧洲版图上抹掉，让罗马尼亚人作为一个民族不复存在”。
8月29日，苏军最高统帅部大本营和铁木辛哥给乌克兰第二、第三方面军下达了彻底歼灭在罗马尼亚的德军的新任务。
8月30日，乌克兰第二方面军占领了罗马尼亚石油工业的中心普洛耶什蒂。8月30日和31日，第六坦克集团军、第五十三集团军以及以图多尔·弗拉季米列斯库命名的罗马尼亚志愿军步兵第二师的部队，开进布加勒斯特。苏军会同在作战上隶属乌克兰第二方面军的罗马尼亚军队，于10月25日完全肃清了罗马尼亚境内的占领者。
9月5日，乌克兰第三方面军已前出到罗马尼亚和保加利亚边境。苏联政府宣布，从当时起，苏联将同保加利亚处于战争状态。在这种极为有利的形势下，保加利亚共产党加紧了武装起义的准备。
9月5日，保加利亚工人党中央政治局和人民解放起义军总司令部制定了武装起义计划。根据保加利亚工人党和祖国阵线的指示，在全国范围内掀起了强大的反法西斯群众运动。索非亚、普罗夫迪夫、瓦尔纳市等城市的工人纷纷上街游行。9月7日，普列文的劳动群众攻占了监狱，释放了大批政治犯。9月8日，全国举行大罢工。
在这种形势下，苏军在几乎没有保加利亚军队抵抗的情况下开进了保加利亚领土，成为促进该国人民革命的强大因素。9月9日夜，在保加利亚共产党领导下，索非亚市爆发了人民武装起义，法西斯集团被推翻，全国政权转入祖国阵线手中。保加利亚与德国断绝关系，对德宣战。9月16日，乌克兰第三方面军在市民的热烈欢迎下开进保加利亚首都。次日，经改编后的保加利亚军队在作战上隶属乌克兰第三方面军，同法西斯军队一直打到战争结束。
通过此次战役，苏军乌克兰第二、第三方面军在黑海舰队和多瑙河区舰队协同下，粉碎了德军南乌克兰集团军群主力，击溃罗军几乎全部在战场上的作战部队，导致了苏德战场南面德军防御的崩溃，改变了巴尔干地区整个的军事政治形势，使摩尔达维亚苏维埃社会主义加盟共和国和伊兹梅尔地区获得解放，罗马尼亚和保加利亚退出与法西斯德国结盟的战争，并对德宣战。
罗马尼亚和保加利亚的解放，更加巩固了苏联武装力量的战略态势。苏军不仅从东面，而且也从南面逼近了德国边境。
战后，铁木辛哥历任巴拉诺维奇军区司令、南乌拉尔军区司令、白俄罗斯军区司令、国防部总监组总监、苏联老战士委员会主席等职。1970年3月31日，铁木辛哥在莫斯科逝世，享年75岁。
铁木辛哥的一生曾获得2次“苏联英雄”称号和5次列宁勋章、5次红旗勋章、3次苏沃洛夫勋章，以及胜利勋章、十月革命勋章各1枚。