В боях Великой Отечественной войны с декабря 1941 года. Воевал заместителем командующего – начальником артиллерии 1-й ударной армии на Западном и Северо-Западном фронтах, участвовал в контрнаступлении советских войск под Москвой. В мае-ноябре 1942 года — командир 1-й истребительно-противотанковой артиллерийской дивизии Воронежского фронта, участник Воронежско-Ворошиловградской оборонительной операции. В 1942 году полковник П. И. Косенко был дважды ранен, последнее ранение — тяжёлое.