科索夫斯基的部队，仍用第16集团军的番号，罗科索夫斯基任司令员，下辖6个师，负责保卫斯摩棱斯克…维亚济马一线，防御正面宽50公里。
8月底，苏中央方面军遭到德军围歼，斯摩棱斯克战局更加恶化。9月初，苏最高统帅部再次发动反击，预备队方面军第24集团军10个师进攻叶利尼亚，罗科索夫斯基的第16集团军从北面迂回斯摩棱斯克。罗科索夫斯基兵力单薄，未能突破德军防御和解放斯摩棱斯克，但是牵制了德军准备用于叶利尼亚战役的大部分预备队，从而协助第24集团军收复叶利尼亚并向西推进25公里。苏军无力取得更大胜利。从9月10日开始，在斯摩棱斯克作战的西方方面军、预备队方面军和布良斯克方面军全部转入防御。
11日，罗科索夫斯基被晋升中将军衔。
德军取得斯摩棱斯克会战胜利之后，没有继续向莫斯科进攻。希特勒将首攻目标从莫斯科转向基辅和列宁格勒。德“中央”集团军群主力转而面南，和“南方”集团军群主力一起投入基辅战役。
9月底，德军取得基辅会战的胜利并完成了对列宁格勒的包围之后（参见列宁格勒战役），集结了“中央”集团军群和3个坦克集群共78个师，180万人，开始实施进攻莫斯科的“台风”作战计划，企图于入冬前攻下莫斯科（参见莫斯科战役）。
德军首先对布良斯克方面军防御地带和维亚济马一线发动进攻。罗科索夫斯基的第16集团军和叶尔沙科夫的第20集团军防御正面相对平静。
10月5日，罗科索夫斯基接到西方方面军司令部的命令：“兹命令第16集团军司令员罗科索夫斯基立即将其防御地带连同部队转交第20集团军司令员叶尔沙科夫，你本人带司令部及必要之通信工具以强行军速度最迟不得晚于早6时10分到达维亚济马。第16集团军新编成内将包括维亚济马地区的步兵第50、第73、第112、第38、第229师，坦克第147旅，以及1个火箭炮营、1个反坦克团和1个统帅部预备队炮兵团，集团军的任务是阻击从南面斯帕杰缅斯克地域向维亚济马进攻之敌，不让其越过普梯科沃；克鲁德耶、德罗日诺一线北进……”
罗科索夫斯基立即执行命令，当夜动身沿明斯克干线向维亚济马进发。一路见到的都是撤退景象。10月6日拂晓，罗科索夫斯基抵达维亚济马，城里没有任何部队，命令所列的部队一个也联系不上，同方面军司令部的联系也中断了。罗科索夫斯基派出侦察兵，了解到形势的严重性。他对司令部人员说：“必须赶快离开这里。没人守卫维亚济马。走吧。”
德军的合围圈已经在维亚济马附近闭合（参见维亚济马…布良斯克战役），罗科索夫斯基决定朝东北方向突围。10月8日，在距莫扎伊斯克40公里处，罗科索夫斯基终于用无线电与方面军司令部取得联系，并技指示抵达莫扎伊斯克，然后乘派来的飞机飞抵西方方面军司令部。10月13日，新任西方方面军司令员朱可夫大将命令罗科索夫断基“率领步兵第18师前出沃洛科拉姆斯克地域，收编该地全部部队和新到达该地的部队，在北起莫斯科海（伏尔加水库）南到鲁扎河的地带组织防御，制止敌人从该地带突破”。
罗科索夫斯基在沃洛科拉姆斯克设立了指挥所，着手收编部队。到16日，第16集团军的编成内共有21个步兵营、6个骑兵团、73门反坦克炮和123门野战炮。要防守100余公里的地带，这些兵力远远不够。
10月16日，德军开始以绝对优势兵力向第16集团军防地发起猛烈进攻。苏军浴血奋战，顽强阻击德军10天，最后被迫将防线后移。10月17日，德军占领沃洛科拉姆斯克。几天后，罗科索夫斯基夺回沃洛科拉姆斯克地区的几个战略点，但无力扩大战果。他的首要任务是加强防御，准备对付德军必将发动的更大规模的进攻。
希特勒在“中央”集团军群内建立了两个快速集群，对西方方面军和相邻方面军的接合部，同时对西方方面军的两翼突击，以便从南北两面迂回莫斯科，在其东部封闭合围圈。西方方面军右翼是第30集团军和第16集团军。德第3、第4坦克集群的主突方向直指这两个集团军。
11月6日，德快速突击部队开始冲击罗科索夫斯基的防御阵地。战斗异常激烈。第16集团军各部挡住了德军的进攻，使德军陷入争夺据点的*战之中，推进速度十分缓慢。
11月20日，罗科索夫斯基遵照方面军司令部的命令，井然退至巴韦利措沃、莫佐罗沃、阿克谢诺沃、新彼得罗夫斯科耶、鲁缅采沃一线。
德军难以在沃洛科拉姆斯克方向取得突破，遂将主力集中到克林方向上，攻下了索尔涅奇诺戈尔斯克和克林。11月25日，朱可夫命令罗科索夫斯基夺回索尔涅奇诺戈尔斯克。罗科索夫斯基按命令迅速组织了反击，取得一些战果，但未能夺回索尔涅奇诺戈尔斯克。第16集团军的防线，如同整个莫斯科防线，步步后移。
到11月底，极度疲惫和损失极大的第16集团军被迫退却到离莫斯科仅25至35公里处。但是苏军终究还是挡住了德军的进攻。遭受极大消耗的德军已成强弩之末，再无力推进。
12月初，苏最高统帅部将秘密组建的三个新的预备队集团军投入战场。其中两个集团军在西方方面军右翼参加了第16集团军北翼的战斗。
12月5日，苏军开始*。西方方面军右翼各部向克林…索尔涅奇诺戈尔斯克第3、第4坦克集群发起突击。12月7日，第16集团军从防御直接转入进攻。经一天激战，罗科索夫斯基解放了克留克沃。之后，各部在伊斯特拉方向上全线进攻。到10日、德军丧失了全部主要抵抗枢纽部，向伊斯特拉河一线退去。
罗科索夫斯基不给敌人以*之机，命令部队不停息地全速追击。在12月11日至12日的两天之内，第16集团军推进了10至16公里，在许多地段前出到伊斯特拉河一线。
12月13日，苏联中央报刊的第一版上都刊登了西方面军的司令员朱可夫及其领导的各集团军司令的肖像。在罗科索夫斯基肖像上方的文字说明写道：“罗科索夫斯基将军的部队，在追击敌坦克第5、第10、第11师，党卫队师和步兵第35师的同时，占领了伊斯特拉市……”
12月15日，第16集团军强渡伊斯特拉河，突破德军防线。德军退却。12月20日，第16集团军同友邻部队前出到拉马河和鲁扎河一线。至此，罗科索夫斯基的部队在十几天的战斗中推进了100公里左右。
1942年1月中旬，为发展莫斯科近郊所取得的胜利，苏军发动了新的攻势。第16集团军于1月16日出击，当天攻克德军14个防御枢纽部。在罗科索夫斯基继续挥师挺进时，1月21日，他接到方面军司令部的命令：“将部队转隶友邻第5集团军。率集团军整个指挥机构到司令部接受新任务。”
在西方方军指挥所，方面军参谋长索科洛夫斯基中将对罗科索夫斯基解释说，德军对左翼戈利科夫中将的第10集团军发起反突击，控制了苏希尼奇这个大铁路枢纽及其周围地区，罗科索夫斯基及其司令部应在最短的时间里赶到苏希尼奇地区，接管部队，并恢复原来的态势。罗科索夫斯基受命后立即率司令部赶往前线。这是他半年里第三次接手新部队。
1月29日，方面军司令部接到罗科索夫斯基的报告：“已攻克苏希尼奇，并在那里设立了集团军司令部。”
紧接着，罗科索夫斯基利用所能集中的少的可怜的部队，对德军防御筑垒据点逐个进行攻击，动摇了德军防御，将德军逼到日兹德拉河。
3月8日，罗科索夫斯基视察了准备攻打马克拉基的部队之后，回到苏希尼奇的司令部，开始了对苏希尼奇的例行炮击。一颗炮弹在司令部旁边爆炸，弹片击中罗科索夫斯基脊椎，在胁骨中间穿过，打穿肺部，幸而未触及心脏。
伤势严重的罗科索夫斯基被送去抢救。行前，他用极虚弱的声音对副手说：“要保证拿下马克拉基。之后……把他们从各据点赶走，不让他们固守……”
罗科索夫斯基接受手术之后，被送往莫斯科治疗。他身强体壮，恢复的较快。5月底，不待治疗结束，他便跑出医院，回到第16集团军。这时莫斯科会战已于4月20日结束，德军对莫斯科的进攻遭到失败。但是苏德战场的整个形势仍对苏军不利。
7月初，苏军最高统帅部任命罗科索夫斯基为布良斯克方面军司令员。这时布良斯克方面军正处于十分艰难的境地。德军在6月28日开始的进攻中，突破了布良斯克方面军和西南方面军的防御，向纵深推进150公里到170公里，强渡顿河，冲入沃罗涅日。7月7日，苏最高统帅部将布良斯克方面军一分为二，一部分部队归入沃罗涅日方面军，一部分由罗科索夫斯基接管。罗科索夫斯基将司令部设在叶列茨以东几公里的下奥利沙涅茨村。布良斯克方面军编成内包括5个集团军和3个军。罗科索夫斯基首先阻止住德军由顿河西岸向北推进，使战局稳定下来。
新任司令员给布良斯克方面军官兵留下深刻印象。方面军司令员助理后来回忆说：“罗科索夫斯基不喜欢孤独，总是同司令部人员在一起。在布良斯克方面军，经常看列他在作战参谋那里，或者在参谋长马利宁的办公室里……他有渊博的军事知识、组织才能和深远的预见。他沉着镇静，思想深邃，善于协调副手、各兵种首长、司令部、军事委员会和方面军政治部之间的工作，创造一种愉决而融洽的气氛……此外，罗科索夫斯丛本身具有极大的魅力。他是一个刚毅、坚强，要求严格而严肃认真的人，他善于下达命令并使下级无条件执行命令。他沉稳，精神抖擞。脸上过早出现的皱纹表明他历尽艰辛……”
此时，布良斯克