В октябре 1942 — апреле 1943 — лётчик-инспектор по истребительной авиации Инспекции ВВС Красной Армии. В апреле 1943 — октябре 1944 — командир 256-й истребительной авиационной дивизии (Воронежский фронт, с октября 1943 1-й Украинский фронт). Участвовал в Курской битве и битве за Днепр, Житомирско-Бердичевской, Корсунь-Шевченковской, Ровно-Луцкой, Проскуровско-Черновицкой, Львовско-Сандомирской и Восточно-Карпатской операциях. Под его командованием дивизия получила почётное наименование «Киевская» и была награждена орденами Красного Знамени и Богдана Хмельницкого 2-й степени. По воспоминаниям служившего под его командованием дважды Героя Советского Союза А. В. Ворожейкина. Командир дивизии Н. С. Герасимов имел огромный заслуженный авторитет среди лётчиков-истребителей. За время Великой Отечественной войны совершил 155 боевых вылетов на истребителях И-16, ЛаГГ-3, Як-1, Як-7 и Як-9. По некоторым утверждениям, в воздушных боях лично сбил 7 самолётов противника, по другим — только 2 сбитых в 1942 году.