Sõlmides tagasi Nõukogude Liitu detsembris 1937, juhtis Batov järjestikku 10. ja 3. relvastatud korpuse, millest viimast juhtis ta 1939. aasta septembris Nõukogude okupatsioonis Ida-Poola. Korpus viidi hiljem Soome rindele ja võitles Vene-Soome sõja teises etapis (veebruar <unk> märts 1940)
13. armee all Karjala sektoris. Soomes teenitud teenete eest anti Batovile teine Lenini orden, ta edutati diviisjoni komandöriks ("Komdiv") ja juunis kindralleitnantiks. Seejärel nimetati ta Transkaukaasia sõjalise piirkonna aseülemaks. Sõja puhkemine Saksamaaga leidis ta sügaval Nõukogude Liidu lõunaosas.