В декабре 1941 года был назначен на должность начальника разведывательного отдела Управления начальника артиллерии 28-й армии (в то время находилась в резерве Ставки ВГК). С апреля 1942 года — начальник артиллерии 38-й стрелковой дивизии той же армии, переданной в состав Юго-Западного фронта. В её рядах принимал участие в неудачном Харьковском сражении, в Воронежско-Ворошиловградской и Сталинградской оборонительных операциях (в августе дивизию передали в 64-ю армию под Сталинград). При этом в июне-июле 1942 года временно исполнял должность командира дивизии после гибели в бою её командира полковника Доценко Н. П. За храбрость, мужество, инициативу и за успешное выполнение боевых задач полковник А. И. Лосев был награждён орденом Красного Знамени.