В конце сентября 1942 года дивизия в составе 43-й армии прибыла на Калининский фронт. С ноября 1942 года Иван Самсонович участвовал в кровопролитных боях Ржевской битвы (Вторая Ржевско-Сычёвская). 15 декабря был ранен, но к марту 1943 года вернулся в строй и участвовал в Ржевско-Вяземской наступательной операции. 1 апреля 1943 года понёсшая большие потери 238-я стрелковая дивизия была выведена в резерв на доукомплектование. До начала июля 1943 года дивизия находилась в резерве Брянского фронта и была введена в бой 17 июля 1943 года в ходе Орловской наступательной операции Курской битвы в составе 11-й армии. И. С. Пономаренко участвовал в освобождении города Карачева. 15 августа 1943 года в уличных боях за город Иван Самсонович был вторично ранен в ногу. После выздоровления он продолжил службу в 15-й отдельной танковой бригаде Приволжского, затем Орловского военных округов. Зимой 1944 года 15-я танковая бригада была переформирована в 8-ю самоходно-артиллерийскую бригаду, в связи с чем красноармеец И. С. Пономаренко был направлен в 238-я стрелковую дивизию, сражавшуюся в составе 50-й армии 2-го Белорусском фронте и 1 апреля 1944 года зачислен на должность командира пулемётного расчёта 830-го стрелкового полка. До лета 1944 года 238-я стрелковая дивизия занимала оборону на реке Днепр южнее Могилёва.