В ноябре 1942 года был назначен на должность заместителя начальника штаба — начальника оперативного отдела штаба Калининского фронта, который в октябре 1943 года был преобразован в 1-й Прибалтийский. Семёнов принимал участие в разработке Духовщинско-Демидовской, Невельской и Городокской наступательных операции. По ходатайству командующего фронта в конце января 1943 года судимость с Ивана Иосифовича Семёнова была снята, а в конце февраля 1944 года был назначен на должность начальника штаба 11-й гвардейской армии, после чего участвовал в разработке операций армии по освобождению территории Белоруссии, Литвы и Восточной Пруссии, за что Семёнов был награждён орденом Суворова 2 степени.