На протяжении всего 1942 года во главе армии Лелюшенко участвовал в Ржевской битве. В январе—апреле 1942 года армия вела тяжелые наступательные бои в первой Ржевско-Вяземской наступательной операции. В ходе Ржевско-Сычёвской наступательной операции в июле—октябре 1942 года армия под командованием Лелюшенко с большим трудом «прогрызала» немецкую оборону, медленно продвигаясь к Ржеву.
В ноябре 1942 года назначен командующим войсками 1-й гвардейской армии Юго-Западного фронта. В ходе контрнаступления под Сталинградом генерал-лейтенант Д. Д. Лелюшенко умело руководил вверенными ему частями. В начале декабря 1942 года армия были переименована в 3-ю гвардейскую армии, Лелюшенко остался её командующим. В январе—феврале 1943 года армия наступала в ходе Ворошиловградской операции. Затем армия вела тяжелые оборонительные бои в Харьковской оборонительная операции, в ходе которой 18 марта 1943 года Лелюшенко был вторично тяжело ранен. В августе 1943 года Лелюшенко вернулся в строй и вновь принял командование армией. В составе Юго-Западного и 4-го Украинского фронтов руководил армией в Донбасской, Запорожской, Никопольско-Криворожской наступательных операциях.
29 марта 1944 г. Д. Д. Лелюшенко вступает в командование 4-й танковой армией, которая в составе 1-го Украинского фронта участвует в Львовско-Сандомирской, Восточно-Карпатской и Висло-Одерской операциях. За выдающиеся боевые успехи и массовый героизм личного состава армия в марте 1945 года получила гвардейское звание и стала именоваться 4-й гвардейской танковой армией. Самому же командарму за отличные действия в этих операциях Указом Президиума Верховного Совета СССР от 6 апреля 1945 года было присвоено звание дважды Героя Советского Союза.
5 мая 1945 г. в чешской столице Праге началось вооружённое восстание. Гитлеровцы намеревались потопить его в крови. Ударная группировка 1-го Украинского фронта в составе 3-й и 4-й гвардейских танковых армий, при поддержке 10-го артиллерийского корпуса прорыва РГК, устремились на помощь братьям-славянам. Танкисты Лелюшенко, совершив в короткое время вдоль правого берега Эльбы неимоверно трудный 80-километровый марш-бросок, совместно с танкистами генерала Рыбалко и артиллеристами генерала Кожухова, 9 мая вступили в Прагу и там соединились с войсками 2-го Украинского фронта, замкнув кольцо окружения. Советские воины спасли город и его жителей. 30 мая 1970 г. благодарная Чехословакия удостоила Д. Д. Лелюшенко звания Героя ЧССР.
По окончании Великой Отечественной войны генерал Д. Д. Лелюшенко занимал высокие командные должности в Вооружённых Силах СССР.
В 1949 году с золотой медалью окончил Высшую военную академию имени К. Е. Ворошилова. В 1959 году ему присвоено воинское звание «генерал армии».
С 26 мая 1960 года по 9 июня 1964 года — председатель ЦК ДОСААФ. Несколько лет был членом редколлегии журнала «Военный вестник». С июня 1964 года — военный инспектор-советник Группы генеральных инспекторов Министерства обороны СССР.
Депутат Верховного Совета СССР 1-го, 5-го и 6-го созывов (1937—1946, 1958—1966). Депутат Верховного Совета РСФСР 3-го созыва (1951—1955). За теоретические разработки в военной науке и военном искусстве Д.Д. Лелюшенко присвоена учёная степень кандидат военных наук.
Скончался 20 июля 1987 г. в Москве. Похоронен на Новодевичьем кладбище.
Награды: Дважды Герой Советского Союза, две медали «Золотая Звезда», 6 орденов Ленина, орден Октябрьской Революции, 4 ордена Красного Знамени, 2 ордена Суворова I степени, 2 ордена Кутузова I степени, орден Богдана Хмельницкого I степени, Отечественной войны I степени, «За службу Родине в Вооружённых Силах СССР» III, медали СССР.
