В армии с июля 1941 г. Был зачислен в ряды 316-й стрелковой дивизии, формируемой в Алма-Ате.

Участник Великой Отечественной войны с октября 1941 г. по май 1945 г. на должностях заместителя командира и командира дивизиона 857-го (с ноября 1941 г. – 27-го гвардейского) артиллерийского полка, командира 27-го гвардейского артиллерийского полка и начальника штаба 8-й гвардейской стрелковой дивизии.

Воевал на Западном (октябрь–декабрь 1941 г.), Калининском (январь 1942 – апрель 1943 гг.), Северо-Западном (апрель–октябрь 1943 г.), 2-м Прибалтийском (октябрь 1943 – апрель 1945 гг.) и Ленинградском (апрель–май 1945 г.) фронтах.

Участвовал в обороне Москвы, Торопецко-Холмской, Великолукской, Ржевско-Вяземской, Ленинградско-Новгородской, Режицко-Двинской, Мадонской и Рижской операциях, блокировании курляндской группировки противника.

С 1945 г. гвардии майор Д. Ф. Поцелуев – в запасе.

Боевые награды: орден Красного Знамени? орден Красной Звезды, медаль «За оборону Москвы», медаль «За победу над Германией в Великой Отечественной войне 1941–1945 гг.».