В 1933 году поступил в Военную академию механизации и моторизации РККА имени И. В. Сталина (с 1943 года — Военная ордена Ленина академия бронетанковых и механизированных войск Красной Армии имени И. В. Сталина), которую окончил в 1937 году. Командовал отдельным учебным тяжелым танковым батальоном. Штеменко обладал исключительной, феноменальной, нечеловеческой памятью и выдающимися аналитическими способностями, что послужило основанием для его зачисления уже в следующем, 1938 году в Военную академию Генерального штаба, которую подполковник Штеменко закончил в конце 1940 года.