Tháng 10 năm 1942, trong khi Hồng quân đang chuẩn bị phản công trong trận Stalingrad, Stelmakh được bổ nhiệm làm Tham mưu trưởng Phương diện quân Tây Nam mới do Nikolay Vatutin chỉ huy. Stelmakh là một trong những nhà hoạch định chính và chỉ huy trận chiến. Vatutin và Stelmakh lên kế hoạch cho Chiến dịch Sao Thổ để mở rộng cuộc tấn công của Liên Xô về phía Tây nhằm đánh bại các lực lượng Đức ở phía đông Rostov-on-Don. Họ dự định, cùng hành động với cánh quân của Rokossovsky, để bẫy các đội quân Đức đang rút lui khỏi Kavkaz. Tuy nhiên, Stavka coi đề xuất của Vatutin và Stelmakh là quá táo bạo, và ra lệnh cho Phương diện quân Tây Nam giới hạn phạm vi nhiệm vụ nhằm đánh bại nỗ lực cứu viện của quân Đức. Stelmakh đã lên kế hoạch cho Chiến dịch Sao Thổ nhỏ. Trong khi Tập đoàn quân Cận vệ 2 của Rodion Malinovsky đánh bại các lực lượng cứu viện lớn của Đức, Vatutin và Stelmakh, với sự hỗ trợ của các đơn vị từ Phương diện quân Voronezh, đã bao vây Tập đoàn quân số 8 của Ý, được tăng cường bởi các sư đoàn Đức và phe Trục khác. Hồng quân tiêu diệt gần 21.000 quân địch và bắt hơn 64.000 tù binh.

Ngày 21 tháng 12 năm 1942, Stelmakh bị tử trận trên chiến trường, trong ông đang trên đường kiểm tra các đơn vị trở về bị quân Đức phục kích gần một thành phố ở Kalach-on-Don.[1]