Летом 1942 г. он записался добровольцем и вскоре был отправлен на передовую, где служил в составе орудийного расчета в 513-м отдельном Гвардейском минометном дивизионе. Анатолий Васильевич воевал на Брянском, Волховском, Северо-Западном и Белорусском фронтах. Набравшись боевого опыта, работал помощником шофера Паркового дивизиона 9-й гвардейской минометной бригады 3-го Белорусского фронта. В бою под Старой Руссой Анатолий Митяев был контужен. За этот бой с численно превосходящим противником он получил первую свою награду, особо почитаемую среди фронтовиков – медаль «За отвагу».

В конце войны Митяев поступил в Омское минометно-артиллерийское училище, где овладевал военной наукой, готовился стать офицером. Но доучиться не получилось – в 1945 г. училище было расформировано. Дальнейшую службу Анатолий Митяев проходил на Сахалине.