После начала Великой Отечественной войны возвращён из академии в строй. В июне 1941 года назначен заместителем командира 271-го истребительного авиационного полка (ПВО г. Ростов-на-Дону). С октября 1941 по октябрь 1942 — командир 512-го истребительного авиационного полка (Юго-Западный фронт, с июня 1942 — Сталинградский фронт). Участвовал в Ростовской оборонительной, Барвенково-Лозовской и Харьковской операциях, Сталинградской битве. Под его командованием в 1941—1942 годах полк сбил 88 вражеских самолётов, потеряв погибшими 20 лётчиков. Сам Н. С. Герасимов за время командования полком выполнил свыше 50 боевых вылетов и сбил лично 2 самолёта.