Zu Beginn des deutschen Angriffes am 22. Juni 1941 befehligte er die zwischen Lemberg und Czernowitz stehende 26. Armee und führte im Rahmen der Südwestfront schwere Verteidigungskämpfe gegen die deutsche 17. Armee. Dann wurde die 26. Armee nach Kiew verlegt, wo sie an der verlustreichen Kesselschlacht von Kiew teilnahm. Unter schwierigen Bedingungen wurde die Reste der 26. Armee an das linke Ufer des Dnjepr zurückgezogen und nahm dort die Verteidigung wieder auf. Im September 1941 wurde General Kostenko zum stellvertretenden Befehlshaber der Südwestfront ernannt. Er leitete während der Jelezer-Operation vom 6. bis 16. Dezember 1941 die südliche der beiden Stoßgruppen, die mit der Niederlage mehrerer Divisionen der deutschen 2. Armee endete. Infolge dieser Operation befreiten sowjetische Truppen 400 Siedlungen, darunter die Stadt Jelez, welche Kostenko später zu ihrem Ehrenbürger ernannte. Mitte Dezember 1941 wurde Kostenko als Stellvertreter von Marschall Timoschenko zum Befehlshaber der Südwestfront ernannt und am 27. März 1942 mit dem Leninorden ausgezeichnet. Die Truppen unter Kostenko kämpften im Frühjahr 1942 bei Sumy, Obojan und in der Barwenkowo-Losowajaer Operation. Seit April 1942 fungierte er wieder als Stellvertreter im Frontkommando. Fjodor Kostenko wurde während der Charkower Operation eingekesselt und wurde seit 26. Mai 1942 als vermisst gemeldet. Er führte mit der Armeegruppe des General L. W. Bobkin einen organisierten Ausbruch aus dem Kessel von Barwenkowo und kam bei diesen Kämpfen ums Leben.