В боях Великой Отечественной войны с июня 1941 года. В сентябре 1941 года переведён в ВВС Черноморского флота в состав 119-го морского разведывательного авиационного полка. Всю войну прошёл в составе этого полка. был командиром эскадрильи, с сентября 1942 — заместителем командира полка, с марта 1943 — помощником командира полка по лётной подготовке и воздушному бою, а в июле 1943 года назначен командиром полка. Когда приказом Народного Комиссара ВМФ от 22 января 1944 года № 28 полк стал гвардейским за боевые отличия и был преобразован в 13-й гвардейский морской разведывательный авиационный полк, то Н. А. Мусатов продолжил командовать полком уже под гвардейским знаменем. Участвовал в обороне Севастополя, в битве за Кавказ, в Керченско-Эльтигенской, Одесской, Крымской, Ясско-Кишиневской наступательных операциях. Завершил боевой путь освобождением Болгарии.