Во время битвы за Сталинград В. С. Гроссман находился в городе с первого до последнего дня уличных боёв. За участие в Сталинградской битве, в том числе в боях на передней линии обороны, награждён орденом Красного Знамени. В 1943 году ему было присвоено звание подполковника. На мемориале Мамаева кургана выбиты слова из его очерка «Направление главного удара»: «Железный ветер бил им в лицо, а они всё шли вперёд, и снова чувство суеверного страха охватывало противника: люди ли шли в атаку, смертны ли они?». Повести «Народ бессмертен», «Сталинградские очерки», другие военные очерки сложились в книгу 1945 года «Годы войны».

В. С. Гроссман был в числе корреспондентов, первыми ступивших в освобождённые советскими войсками концлагеря Майданек и Треблинка. Описание увиденного в Майданеке было поручено Констатину Симонову, а о Треблинке в конце 1944 года Гроссман опубликовал статью «Треблинский ад», открывшую тему Холокоста в СССР. После войны Гроссман и Илья Эренбург составили так называемую «Чёрную книгу» — сборник свидетельств и документов о Холокосте. «Чёрная книга» была издана на английском языке в 1947 году в Нью-Йорке, но русское её издание тогда так и не появилось; набор был рассыпан в 1948 году; идеологическая установка требовала не выделять ни одну национальность в рамках всего пострадавшего в ходе войны населения СССР. Первое издание на русском вышло лишь в 1980 году с купюрами в Израиле.

Пьеса «Если верить пифагорейцам», написанная перед Великой Отечественной войной и опубликованная в 1946 году в журнале «Знамя», была негативно оценена критикой за якобы неверное понимание исторического процесса.

После войны. «Жизнь и судьба»

С 1946 по 1959 год работал над дилогией «За правое дело» и «Жизнь и судьба». Эпический роман «За правое дело» (1952), написанный в традициях Л. Н. Толстого и повествующий о Сталинградской битве, Гроссман вынужден был переработать после разгромной критики в партийной печати.

На Втором съезде Союза писателей СССР в 1954 году А. А. Фадеев признал, что его критика романа как «идеологически вредного» была несправедливой.

Рукопись продолжения опубликованного в «Новом Мире» романа «За правое дело» — романа «Жизнь и судьба», носящего резко антисталинский характер, над которым писатель работал с 1950 года, была отдана автором для публикации в редакцию журнала «Знамя». В феврале 1961 года были конфискованы копии рукописи и черновики при обыске КГБ дома Гроссмана. Была изъята и копия романа, находившаяся для перепечатки в редакции журнала «Новый Мир». Главный редактор журнала «Знамя» В. М. Кожевников сам отдал свой экземпляр в КГБ. Пытаясь спасти свою книгу, В. С. Гроссман писал Н. С. Хрущёву:

В конечном счёте, Гроссмана принял член Политбюро М. А. Суслов, огласивший подготовленное референтами (сам он роман не прочёл) решение о том, что о возврате рукописи «не может быть и речи», и что роман может быть напечатан в СССР не раньше, чем через 200—300 лет.

Другая копия романа, сохранённая другом Гроссмана поэтом С. И. Липкиным, в середине 1970-х, уже после смерти писателя, с помощью А. Д. Сахарова и В. Н. Войновича была вывезена на Запад. Роман был опубликован в Швейцарии в 1980-м, его расшифровали с микрофильма профессора-эмигранты Ефим Эткинд из Парижа и Шимон Маркиш из Женевы, последний способствовал изданию в Лозанне. В СССР роман вышел с купюрами в 1988 году, во время перестройки.