עם פתיחת המתקפה הגרמנית ביוני 1941, היה פדיונינסקי מפקד הקורפוס ה-15 אשר היה חלק מהארמייה החמישית. הקורפוס שלו הצליח להוביל מספר מתקפות נגד מוצלחות כנגד הגרמנים, וב-12 באוגוסט של אותה שנה הועלה לדרגת גנרל מיור. ימים מספר לאחר מכן הוא נפצע ובהוראתו האישית של מפקד החזית הדרום מערבית מיכאיל קירפונוס, פונה במטוס לבית חולים במוסקבה. לאחר החלמתו מונה למפקד הארמייה ה-32, וב-15 בספטמבר הועבר לפקד על הארמייה ה-42. ב-8 באוקטובר מונה לראש מטה החזית הצפונית. ב-11 באוקטובר מונה למשך 16 ימים למפקד חזית לנינגרד, אשר הגנה על מרחב לנינגרד. ב-27 באוקטובר מונה למפקד הארמייה ה-54, ולחם עמה במהלך הקרב על מוסקבה כחלק מהחזית המערבית. ב-25 באפריל 1942 הועבר לפקד על הארמייה החמישית, ב-13 ביוני הועלה לדרגת לייטננט גנרל וב-15 באוקטובר של אותה שנה מונה לסגן מפקד חזית וולחוב. הוא השתתף עם החזית בקרבות לשחרור המצור על לנינגרד. במהלך המצור הוא נפצע קשה וקיבל את עיטור קוטוזוב מדרגה ראשונה. במאי 1943 מונה לסגן מפקד חזית בריאנסק, וב-14 ביולי של אותה שנה הוא מונה למפקד הארמייה ה-11. הוא פיקד על הארמייה במהלך מבצע קוטוזוב ומבצע בריאנסק. ב-24 בדצמבר של אותה שנה הוא קיבל פיקוד על ארמיית ההלם השנייה. הוא לחם עם הארמייה בשחרור המצור על לנינגרד, ובתחילת 1944 הוא פיקד עליה במהלך קרב נארווה (1944) ושחרור טאלין. ב-5 באוקטובר 1944 הוא הועלה לדרגת גנרל-פולקובניק. במהלך 1945 הוא לחם במהלך מבצע פרוסיה המזרחית והקרב על ברלין כחלק מהחזית הבלארוסית השנייה. ב-24 ביוני הוא השתתף במצעד הניצחון של הצבא האדום במוסקבה (1945).