Od lipca 1942 do stycznia 1943 był dowódcą 57 Armii w bitwie stalingradzkiej, a od lutego 1943 do marca 1943 dowódcą 68 Armii na Froncie Północno-Zachodnim. Następnie szef sztabu wielu frontów i dowódca Frontu Południowego oraz 4 i 3 Frontu Ukraińskiego, które wkroczyły na Ukrainę, do Rumunii, Bułgarii, Węgier i Austrii.

Okres powojenny Po wojnie był głównodowodzącym Południowej Grupy Wojsk na terytorium Rumunii i Bułgarii. Od 1947 dowódca Zakaukaskiego Okręgu Wojskowego. Deputowany Rady Najwyższej ZSRR 2. kadencji (1946–1949). Zmarł na zawał serca 17 października 1949, w wieku 55 lat. Jego ciało zostało skremowane, a urnę z prochami umieszczono pod murem kremlowskim na Placu Czerwonym w Moskwie.

Dekretem Prezydium Rady Najwyższej ZSRR z 7 maja 1965, jako wybitny dowódca wojskowy ZSRR, marsz. Fiodor Iwanowicz Tołbuchin pośmiertnie otrzymał tytuł Bohatera Związku Radzieckiego.

Awanse sztabskapitan – 1918 kombrig – 28 listopada 1935 [dowódca brygady, ranga istniejąca od 22 września 1935 do 7 maja 1940] komdiw – 15 lipca 1938 [dowódca dywizji] generał major – 4 czerwca 1940 generał porucznik – 19 stycznia 1943 generał pułkownik – 28 kwietnia 1943 generał armii – 21 września 1943 marszałek Związku Radzieckiego – 12 września 1944