Начало Великой Отечественной войны застает А. Фатьянова на гастролях в авиагарнизоне Сеща под Брянском. Фатьянов пишет сатирические частушки, сценки, песни, забрасывая при этом всех, кого только можно, рапортами с требованием отправить его на фронт в действующую армию: «Хочу на фронт!». У одного из военочальников лопнуло терпенье: в духе передовиц «Правды» он заявил: «Ваши уже песни воюют!», и «наградил» Фатьянова тремя нарядами вне очереди. Фатьянов мог в условиях военной дороги быстро написать целую программу для фронтовых выступлений, переработать газетные материалы в стихи и песни, написать новый злободневный сценарий. У поэта был поставлен голос, он вел концерты, импровизировал, мог работать и на сцене, устроенной в кузове грузовика, и в темной землянке. Впрочем, и отпускать-то было некуда – ансамбль и без того являлся фронтовым: давали по 3-4 концерта в день, доходя до полного изнеможения. За 25 дней войны было организовано 54 концерта. Выступления на передовой, в том числе и в прославленной Панфиловской дивизии, потребовали немалого мужества и суровой солдатской стойкости. Оказавшись в окружении, ансамбль трое суток прорывается к своим из смыкавшегося кольца немецкого окружения. Алексей Фатьянов был ранен, после госпиталя направлен в войска Южно-Уральского округа.

В феврале 1942 г. ансамбль был отведен в тыловой город Чкалов (сейчас Оренбург) Южно-Уральского военного округа и переформирован в Ансамбль красноармейской песни и пляски Южно-Уральского военного округа. Коллектив давал концерты в госпиталях Башкирии, Оренбуржья, Казахстана, Куйбышевской и Актюбинской областей, выступал перед эшелонами, уходящими на фронт.

В августе 1944 г. А. Фатьянов был отправлен в штрафную роту 6-й танковой армии. Воспринял эту ссылку не как наказание – ведь он давно рвался на фронт. Сражался храбро, в одном из боев, проявляя мужество и отвагу, первым ворвался на своем танке в венгерский город Секешфехервар (Венгрия) был ранен (вторично), награжден орденом Красной Звезды и медалью «За отвагу».

В июне 1944 г. откомандирован в состав Краснознаменного ансамбля песни и пляски Союза ССР на должность заведующего литературно-драматургической частью.

С сентября 1944 г. – фронтовой корреспондент армейской газеты «На разгром врага». В апреле 1945 г. откомандирован в Таллин в распоряжение ансамбля моряков Балтики. Выступал в инсценировках, читал стихи, занимался режиссурой.

В феврале 1946 г. демобилизован из армии.