Михаил Катуков принимал участие в Великой Отечественной войне с первых дней. В июне 1941 г. 20-я танковая дивизия под его командованием участвовала в Приграничном танковом сражении в районе г. Дубно. В сентябре 1941 г. он принял командование 4-й танковой бригадой, отличившейся в оборонительных боях под Москвой на Мценском и Волоколамском направлениях. По результатам боев подразделение Катукова одним из первых в РККА получило звание гвардейского, и было переименовано в 1-ю гвардейскую танковую бригаду. В ноябре 1941 г. Катукову было присвоено звание генерал-майора. Во время контрнаступления советских войск под Москвой в декабре 1941 - январе 1942 гг., Михаил Катуков руководил действиями подвижной группы, состоявшей из механизированных соединений, которая сыграла важную роль в прорыве немецкой обороны на рубеже рек Лама и Руза. С апреля 1942 г. он возглавлял 1-й танковый корпус в боях на Брянском фронте. С сентября 1942 г. – командовал 3-м механизированным корпусом Калининского фронта.

В январе 1943 г. Михаил Катуков был произведен в генерал-лейтенанты и стал командующим 1-й танковой армии (с 1944 г. – 1-я гвардейская танковая армия), части которой принимали участие в Курской битве, Белгородско-Харьковской, Житомирско-Бердичевской, Проскуровско-Черновицкой, Львовско-Сандомирской, Висло-Одерской, Восточно-Померанской и Берлинской наступательных операциях. В апреле 1944 г. военачальнику было присвоено звание генерал-полковника.

После завершения Великой Отечественной войны Михаил Катуков продолжал командовать 1-й гвардейской танковой армией, дислоцировавшейся на территории Германии, одновременно занимая должность начальника Советской военной администрации Саксонии. В апреле 1948 г. он был назначен командующим бронетанковыми и механизированными войсками Группы Советских войск в Германии (ГСВГ).

Был награжден четырьмя орденами Ленина (1941, 1944, 1945, 1945), тремя орденами Красного Знамени (1944, 1944, 1949), двумя орденами Суворова I степени (1944, 1945), орденами Кутузова I (1943) и II (1943) степеней, Богдана Хмельницкого I степени (1944), орденом Красной Звезды (1967), орденом «За службу Родине в Вооруженных Силах СССР» III степени (1970), медалями. Также имел награды иностранных государств.