В этой должности встретил Великую Отечественную войну. В первый день войны вступил в бой с румынскими войсками, безуспешно пытавшимися перейти границу. Когда возникла угроза захвата врагом Одессы, войска с границы были отведены к ней, а полковник Н. И. Крылов был назначен в начале июля 1941 года заместителем начальника оперативного отдела Приморской армии. В условиях нехватки командиров в окружённой Одессе, 11 августа стал начальником оперативного отдела армии, а уже с 21 августа — начальником штаба Приморской армии. В этой должности прошёл от начала до конца оборону Одессы и оборону Севастополя. 8 января 1942 года был тяжело ранен при артобстреле во время выезда в войска под Севастополем, по медицинским показателям подлежал эвакуации, однако по настоянию командующего армией генерал-майора И. Е. Петрова был оставлен в городе. В конце марта вернулся к штабной работе, но незалеченная рана потом причиняла боль всю жизнь. Эвакуирован из города в последние дни обороны со штабом армии на подводной лодке.