一九三九年春，刘亚楼到莫斯科没几天就突发急性阑尾炎，被扶进医院。战时麻醉药奇缺，医生连比划带问他要不要麻醉。他一句俄语听不懂，只会摇头。医生当他舍不得用药，竖起大拇指，把人推进手术室。刀锋划开肚皮那一刻他才明白误会了，咬牙攥紧床沿，一声没吭挨完那台手术。
出院他就跟俄语拼命。俄文报纸剪成条贴满床头，躺下背、起身背，半年便能读《真理报》，能用俄语答题写笔记。
当年十月，他进伏龙芝军事学院中国班。这所学府走过朱可夫，先来苏联养病的林阳春也从老上级成了同窗。课堂上是合同战役、大兵团协同，作业推演里他判断细密，教员频频点头。转年春，学院讨论德军会从哪打进来。苏军统帅部断定敌人必沿顿涅茨河取粮取煤，刘亚楼说不对：装甲集群走不得拿破仑那条松软土路，最短最硬的一条，是白俄罗斯直取莫斯科。意见经共产国际递上去，斯大林没当回事。两个月后德军履带正碾在他画的那条线上。
一九四二年他以优等生毕业，申请回国。走到乌兰巴托，边界封锁，回不去了。他转而编入苏联红军，授少校军衔，赶上斯大林格勒会战，化名"萨莎"在司令部标图、拟命令，还给苏军指挥部写了长信：德军无冬装、已冻伤大片，苏军耐寒，宜聚兵合围其装甲集团。苏方一度劝他入苏联籍，留下便可带兵当主官，他摇头谢绝，于是始终是少校参谋。
一九四三年他调哈巴罗夫斯克远东军区，兼管东北抗联教导旅，自编教材、每周授课，战士背地喊他大老师。那年二月他写信给毛主席，提出要尽快发展炮兵、航空、坦克与无线电。
一九四五年八月，他化名"王松"，随百万苏军越过边境，回到阔别八年的祖国。胸前多了两枚奖章：战胜德国、战胜日寇。