19 ноября 1942 года 65-я армия перешла в наступление, занимая левый фланг ударной группировки, наступавшей севернее Сталинграда. В результате мощного удара оборона противника была прорвана. Удачные действия соединений армии позволили основной части наступавшей группировки, не останавливаясь для укрепления флангов, идти на соединение с наступавшими частями Сталинградского фронта. После окружения 6-й полевой и части 4-й танковой немецких армий 65-я армия Батова к 30 ноября замкнула внутреннее кольцо окружения, соединившись с наступавшими ей навстречу войсками. При проведении операции по разгрому окруженной группировки противника, получившей название «Кольцо», Батов впервые применил метод артиллерийской поддержки атаки одинарным огневым валом – в полосе наступления советским войскам удалось создать концентрацию артиллерии и минометов, превышающую 200 единиц на километр фронта. Эта тактика в дальнейшем получила широкое распространение. За эту операцию Павел Иванович Батов был награжден орденом Суворова I степени.
После окончания битвы на Волге войска 65-й армии были переброшены на вновь сформированный Центральный фронт и заняли его левый фланг. Соединения под командованием Батова вошли в состав сил, предназначенных для наступления на брянском направлении. В крайне тяжелых условиях, вступив в бои буквально с колес, войска 65-й армии были вынуждены оставить Севск и перейти к обороне на северо-западном фасе Курского выступа. В течение всей весны они занимались укреплением обороны. В период Курской битвы 65-я армия занимала свои позиции, ведя позиционные бои, не участвуя в основных оборонительных и наступательных боях. В то же время командующий армией готовил подчиненные соединения к следующим наступательным операциям.
Первой из них стала Черниговско-Припятская операция, проведенная войсками Центрального фронта. 65-я армия, наступая на направлении главного удара, прорвав оборону противника, начала наступление и захватила важные плацдармы на западном берегу реки Сож. Через 10 дней соединения 65-й армии начали новое наступление в рамках проведения Гомельско-Речицкой операции. Наступая на левом фланге 1-го Белорусского фронта, они форсировали Днепр, перерезали стратегические железнодорожные линии снабжения немецких войск в районе Гомеля.
За организацию четкого взаимодействия подчиненных войск при форсировании Днепра, прочное удержание плацдарма на западном берегу реки и проявленные при этом личную отвагу и мужество Указом Президиума Верховного Совета СССР генерал-лейтенант Павел Иванович Батов был удостоен звания Героя Советского Союза, с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда».
Как военачальника Батова отличали неиссякаемая энергия, умение предвидеть развитие событий и принимать правильные и обоснованные решения. Он всегда был сторонником новых, неожиданных для противника методов ведения боевых действий. Каждый раз при выборе способов разгрома противника Батов исходил из конкретных условий, тщательно анализировал особенности боевой обстановки, определял сильные и слабые стороны врага, производил точный расчет и принимал правильное решение. Он говорил: «Надо бить врага искусством, а это значит малой кровью». Так, при проведении Бобруйской операции в 1944 году 65-я армия, входящая в состав 1-го Белорусского фронта, действовала в южной ударной группировке. По инициативе Батова на узком шестикилометровом участке прорыва для поддержки атаки пехоты и танков был применен двойной огневой вал на глубину в 2,5 км. Вслед за мощным ударом авиации, артиллерии и стрелкового корпуса в сражение был своевременно введен 1-й гвардейский танковый корпус. Четкое выполнение замыслов командования фронта, взаимодействие с соседями по фронту позволили 65-й армии продвинуться до 200 км на слуцком направлении, нанести противостоящим частям противника тяжелое поражение, создать условия для дальнейших наступательных действий. За успешное проведение этой операции Павлу Ивановичу было присвоено воинское звание генерал-полковника, вручен орден Кутузова I степени и золотые часы от Верховного командования.
Далее войска под командованием генерала Батова наступали в направлении Бреста. Преодолевая водные преграды, нанося удары по отступающему противнику и не позволяя ему закрепиться на новых рубежах, к концу августа 65-я армия вышла в районы севернее Варшавы. За два месяца боев она прошла путь почти в 600 км.
В начале 1945 года соединения 65-й армии были переданы в состав 2-го Белорусского фронта, которым командовал Рокоссовский, до этого возглавлявший 1-й Белорусский фронт.
Учитывая упорное сопротивление противника в Восточной Пруссии, туда были направлены соединения 2-го Белорусского фронта. В январе 1945 года 65-я армия, находясь на левом фланге фронта, после тяжелых боев перешла в наступление в Восточной Померании. В составе основной ударной группировки она участвовала в освобождении городов Гдыни и Данцига.