За успешное выполнение служебного долга в августе 1941 г. ему присвоено звание генерал-майора. После того как войска вермахта в сентябре 1941 г. окружили советские силы, оборонявшие Киев, Кирпонос поручил Баграмяну прорываться на восток с одной из штабных групп. Генерал успешно выполнил это задание, выведя из окружения не только штабных работников, но и около 20 тыс. советских бойцов, потерявших свои части. 6 ноября 1941 г. И. Х. Баграмян был удостоен ордена Красного Знамени.

После выхода из окружения Баграмян был назначен начальником оперативного управления штаба Юго-Западного фронта. В своих воспоминаниях он писал об этих днях: «Мы в штабе фронта много думали над перспективами действий наших войск. И чем глубже я анализировал обстановку, тем больше убеждался, что пассивно обороняться… равносильно гибели. Надо, обязательно надо наступать». В ноябре 1941 г. Иван Христофорович активно участвовал в разработке и проведении одной из первых наступательных операций Красной Армии, в результате которой был освобожден Ростов-на-Дону. «Наступление шло, как и предусматривалось планом, со всех сторон, – вспоминал Баграмян – С востока на соединение с войсками 9-й и 37-й армий по тонкому льду Дона спешили в Ростов части 56-й армии. Первыми ворвались на улицы города 230-й полк НКВД под командованием подполковника Демина и полк ополченцев-ростовчан во главе с директором одного из заводов Варфоломеевым. С других направлений в город вошли передовые батальоны 343-й и 347-й стрелковых дивизий. Разгорелись ожесточенные уличные бои. Наступила ночь, утро, а бои не прекращались. К концу второго дня наступления дивизии Клейста начали в панике покидать Ростов. Наши войска перешли в стремительное преследование».

Показательна характеристика, данная Ивану Христофоровичу начальником штаба фронта генералом П. И. Бодиным: «Порученное дело оперативного руководства в штабе фронта выполняет с большой ответственностью. Внимательно следит за ходом борьбы на боевых рубежах, своевременно обращая внимание командования на особенность обстановки для принятия больших и малых решений».

И. Баграмян и А. Василевский.

В декабре 1941 г. Баграмян исполнял обязанности начальника штаба ударной группы под командованием Ф. Я. Костенко, предназначенной для новой наступательной операции на северном крыле фронта против елецкой группировки противника. Группа должна была осуществить выход на коммуникации сил вермахта, прорвавшихся на южные подступы к Москве. Времени на разработку наступательной операции практически не было, к тому же штаб испытывал острую нехватку сотрудников. «Пока командными инстанциями утрясался вопрос о направлении главного удара, наш малочисленный штаб трудился не покладая рук. Вычерчивали карту, на которой наглядно отображались задачи соединений и частей на первый и последующие дни наступления, готовили боевые распоряжения войскам, составляли план разведки, набрасывали схему связи с перспективой ее дальнейшего развертывания… Фактически на подготовку операции отводились одни сутки: вечером 4 декабря было отдано боевое распоряжение на наступление, а с утра 6 декабря оно должно уже начаться. Чтобы тщательно спланировать и обеспечить столь сложную операцию, нашему небольшому штабу, конечно, требовалось куда больше времени», – вспоминал Баграмян условия, в которых приходилось принимать быстрые, но взвешенные решения. Тем не менее спланированная операция была осуществлена и стала частью общего зимнего контрнаступления Красной Армии. Войска правого крыла Юго-Западного фронта продвинулись в целом на 80–100 км, освободили свыше 400 населенных пунктов, в том числе города Елец и Ефремов, захватили огромные трофеи, в итоге способствуя успехам соседних фронтов.

27 декабря 1941 г. Баграмян получил очередное воинское звание генерал-лейтенанта. Вскоре он был назначен начальником штаба Юго-Западного направления, который должен был заниматься планированием операций и оперативным руководством боевыми действиями фронтов. В конце декабря началась подготовка нового наступления на Юго-Западном и Южном фронтах по освобождению Донбасса. В результате Барвенково-Лозовской операции во второй половине января 1942 г. войска обоих фронтов продвинулись на 90–100 км в глубь территории, занятой противником, и образовали мощный выступ в районе Изюма, угрожая Харькову и донбасской группировке немцев. Однако поставленные задачи в ходе операции не были выполнены полностью, и над советскими войсками, далеко выдвинувшимися вперед, нависла опасность окружения противником. «Вместе с тем нельзя забывать, что речь идет о зиме 1942 года, когда опыта крупных наступательных действий у нас еще не было. Все мы тогда учились, учились в трудной обстановке, при наличии у врага превосходства как в материальных ресурсах, так и в отношении опыта ведения боевых действий в современных для того периода условиях. Такая наука не могла обойтись без ошибок и просчетов. Но мы тогда приобрели очень ценный опыт, который был использован во всех последующих наступательных операциях», – так в мемуарах оценивал Баграмян результат зимнего наступления 1942 г.

Из письма жене 25 февраля 1942 г.: «Обо мне не беспокойся и не горюй. Я чувствую себя хорошо и бодро. С работой справляюсь. Работаю начальником штаба у маршала Тимошенко. У нас Членом Военного Совета Никита Сергеевич Хрущев. Работой моей довольны. Прошу вас, пишите почаще, ведь ваши письма для меня – большая радость».

В апреле 1942 г. Баграмян активно участвовал в подготовке весеннего наступления с занятых рубежей в направлении на Харьков. Однако из-за ошибок, допущенных как Верховным командованием, так и штабом Юго-Западного направления, германскому командованию удалось скрытно подготовить и нанести мощные фланговые удары по наступавшим советским войскам, в результате которых войска Юго-Западного фронта потерпели серьезное поражение, а противник получил хорошие стартовые возможности для продвижения далее на Кавказ и Сталинград. После начала немецкого контрудара Баграмян пытался убедить командование в необходимости прекращения наступления на Харьков, но отстоять свое мнение он не смог, и вскоре после харьковской катастрофы был снят с занимаемой должности.

Благодаря личному самообладанию и поддержке Г. К. Жукова он сумел сохранить твердость духа и стремление в полной мере реализовать на практике свой полководческий талант. В июле 1942 г. он был назначен командующим 16-й армией (которая позднее за отличия в боях была переименована в 11-ю гвардейскую). «Мысли же мои были заняты предстоящим вступлением в командование 16-й армией. Это событие радовало меня по двум причинам. Во-первых… мне хотелось перейти на любую командную работу… Во-вторых, назначение именно в 16-ю армию было для меня большой честью. Это ведь была та самая армия, соединения которой проявили столько мужества и стойкости под Шепетовкой… Затем 16-я под руководством М. Ф. Лукина прославила свои знамена в Смоленском сражении, а под командованием К. К. Рокоссовского – в битве под Москвой. Конечно, состав армии менялся, но традиции героизма, высокого понимания долга перед Родиной, несомненно, сохранялись и крепли в этом прославленном объединении», – вспоминал впоследствии И. Х. Баграмян. Прежний командующий армией К. К. Рокоссовский одобрил назначение Баграмяна. «В хорошие руки попадала наша армия, и это радовало меня», – вспоминал он впоследствии в мемуарах.