С началом Великой Отечественной войны 30 июня 1941 года назначен командующим войсками Московского военного округа. В приказе ГКО от 19 октября 1941 «на начальника гарнизона г. Москвы генерал-лейтенанта т. Артемьева возложена оборона Москвы на её подступах». Одновременно с 18 по 30 июля 1941 года командовал фронтом Можайской линии обороны, а с 12 октября 1941 года по 15 октября 1943 года был командующим Московской зоны обороны. В оперативные задачи Артемьева входило: строительство оборонительных рубежей на ближайших подступах к столице, подготовка резервных соединений для отправки на фронт, проведение мероприятий по укреплению тыла в Москве. Командовал парадом на Красной площади 7 ноября 1941 года, а в 1945 году на него была возложена организация и общее руководство Парадом Победы. После окончания войны до 1947 года оставался на должности командующего войсками Московского военного округа.