С ноября 1942 года — на фронтах Великой Отечественной войны. Воевал в составе 18-го гвардейского бомбардировочного авиаполка дальнего действия (к концу войны полк был в составе 2-й гвардейской бомбардировочной авиационной дивизии 2-го гвардейского бомбардировочного авиационного корпуса 18-й воздушной армии). Большинство своих боевых вылетов совершал на ночные бомбардировки. Участвовал в бомбардировках Данцига, Тильзита, Инстербурга, Кёнигсберга, Галаца, Бреслау, Будапешта, Варшавы. Командованием неоднократно отмечалась высокая эффективность бомбардировок, производимых Воробьёвым. Участвовал в воздушных боях на Курской дуге и прорыве блокады Ленинграда, освобождении Севастополя, боёв у озера Балатон в Венгрии. Последние свои боевые вылеты Воробьёв совершил в апреле 1945 года, бомбя Берлин. Всего за годы войны гвардии майор Иван Воробьёв совершил 213 боевых вылетов на бомбардировку военно-промышленных объектов в глубоком тылу противника на самолете ИЛ-4, из них 199 ночью.