Задача командования была не только сформировать бригаду, получить новые танки Т-34, но и изучить эту технику, научиться применять ее в бою с превосходящими силами противника. Решением этих задач и занялся Катуков с первых дней прибытия в бригаду.
23 сентября по приказу Главного автобронетанкового управления 4-я танковая бригада погрузилась на платформы и через пять дней прибыла в Подмосковье, на станцию Кубинка. Поднятая по тревоге еще до рассвета, 2 октября железнодорожным транспортом она была направлена в Мценск, а оттуда своим ходом на Орел, где вошла в состав корпуса генерала Лелюшенко. Бригада представляла собой сплоченный боевой коллектив, состояла из хорошо подготовленных, имевших боевой опыт бойцов и командиров. В экипажах каждый в случае надобности мог заменить другого.
Инициатива и новаторство Катукова особенно ярко проявились в дни битвы за Москву. В течение всего длительного периода битвы 4-я танковая бригада не выходила из огня сражений. Впервые применив действия танков из засад, танкисты Катукова в начале октября под Орлом и Мценском наголову разбили две танковые дивизии генерала Гудериана. Фашисты потеряли 133 танка, 49 орудий, 8 самолетов, 15 тягачей с боеприпасами, до полка пехоты, 6 минометов и другое вооружение.
Высшее командование высоко оценило военное мастерство катуковцев, преобразовав в ноябре бригаду Катукова в 1-ю гвардейскую. За мужество и стойкость, проявленные в боях под Орлом и Мценском, 32 бойца и командира бригады были награждены боевыми орденами, полковник Катуков получил звание генерал-майора танковых войск.
Храбро сражалась 1-я танковая бригада и в районе Можайска. Она входила в состав войск 16-й армии генерала Рокоссовского. Катуков возглавил группировку войск, которая разгромила две вражеские дивизии, пытавшиеся перерезать дорогу Москва – Волоколамск и тем самым парализовать основные силы 16-й армии. А в начале декабря гвардейцы Катукова нанесли жестокий удар по противнику и в районе Крюкова, куда пытались прорваться две немецкие дивизии.
За две недели вражеского наступления 4-я танковая бригада уничтожила 106 танков, 16 тяжелых и 37 противотанковых орудий, 16 минометов, 3 минометные батареи, 8 тягачей, 55 автомобилей, 51 мотоцикл, до трех полков пехоты противника, разбила 13 дзотов и 27 пулеметных гнезд. Все это в несколько раз превышало численность и вооружение самой бригады. За это время в бригаде вышло из строя 33 танка – в три раза меньше, чем потерял противник.
В дальнейшем Михаил Ефимович возглавил оперативную группу войск, которой предстояло во взаимодействии с такой же группой генерала Ремизова окружить и уничтожить истринскую группировку гитлеровцев и овладеть городом Волоколамском. С этой задачей они блестяще справились – 20 декабря Волоколамск был освобожден. За умело проведенные боевые операции под Москвой генерал-майор Катуков был награжден орденом Ленина.
1-я гвардейская танковая бригада перебрасывалась с одного участка фронта на другой. Танкисты, руководимые смелым военачальником и блестящим стратегом, выходили с победой из многих сражений.
В 1942 году Михаил Ефимович Катуков назначается командиром 1-го танкового корпуса. Вместе с войсками Брянского фронта его корпус в июне успешно отражал натиск вражеской группировки войск, которая развернула наступление на воронежском направлении, пытаясь прорваться к Дону и к Волге.
В ходе оборонительных боев на Курской дуге Катуков командует 1-й танковой армией. По его приказу впереди бригад, на удалении 400—500 м, были устроены по три танковые засады. Засады должны были вынудить противника принять бой в невыгодных для него условиях. Любая машины могла свободно маневрировать в своем секторе обороны. Танкисты Катукова прекрасно взаимодействовали с пехотой, артиллерией и авиацией, умело контратаковали, нанося большой урон живой силе и танкам врага. Тщательная подготовка операции, проведенная Катуковым, помогла отразить наступление немцев.
После Курска 1-я танковая армия вошла в состав 1-го Украинского фронта и участвовала в освобождении Правобережной Украины. Бои проходили здесь в тяжелых условиях, так как гитлеровцы сумели создать крепкую оборону практически в каждом населенном пункте. По предложению Катукова его танкисты ночью обходили прочно укрепленные узлы обороны противника, а затем врывались с тыла, сея панику в рядах немцев и облегчая продвижения главных сил армии.
В марте 1944 года катуковцы совершили 300-километровый марш в район Белогорья, чтобы отрезать пути отхода двум немецким танковым армиям. Маневр проходил скрытно, только в ночное время. А 21 марта после короткой подготовки 1-я танковая армия перешла в наступление, с ходу прорвала оборону противника и форсировала реки Днестр и Прут, тем самым захватив важные плацдармы. В ходе этой операции солдаты 1-й танковой армии освободили от немцев многие населенные пункты и первыми вышли на государственную границу с Румынией.