Han blev udvalgt til stabschef for 3. Guards Tank Army i den ordning, der dannede den den 14. maj, og blev forfremmet til generalmajor i tankstyrker den 7. juni. Hæren kæmpede i Operation Kutuzov som en del af Bryanskfronten fra juli. Fra september deltog hæren i slaget ved Dnepr, slaget om Kijev
, Zhitomir-Berdichev-offensiven og Proskurov-Chernovitsy-offensiven. Som stabschef for hæren blev Mitrofanov vurderet som at have "taget en aktiv rolle i planlægningen af hærens operationer, sikring af uafbrudt kommando og kontrol af styrker i overensstemmelse med hærkommandørens beslutninger" og "udvise fremragende personaleuddannelse og viden om operationel kunst". Han blev vicekommandør i hæren i maj 1944 og overtog kommandoen over hærens 7. Guards Tank Corps i juli efter at dens kommandør blev såret. Mitrofanov førte korpset i succesfulde angreb under Lvov-Sandomierz-offensiven, hvor det erobrede Gorodok og Lvov, og kæmpede i kampe om Sandomierz brohoved. For mod og dygtighed i disse kampe blev hans korps tildelt Suvorov-ordenen.