З червня 1941 року — на фронтах Другої світової війни. Брав участь у боях у Білоруській РСР 1941 року, Смоленській битві, звільненні Житомирської області Української РСР, Житомирсько-Бердичівській, Проскурівсько-Чернівецької операції, боях на Дуклинськом перевалі, Вісло-Одерській, Нижньо-Сілезькій, Верхньо-Сілезькій, Берлінській операціях, звільненні Дрездена і Праги. В боях п'ять разів був поранений і контужений. У лютому 1943 року Горенчук закінчив прискорені курси при Військово-політичній академії в Белебеї, а в жовтні того ж року — Вищу офіцерську бронетанкову школу в Магнітогорську. До липня 1944 року гвардії капітан Феодосій Горенчук командував 3-м танковим батальйоном 12-ї гвардійської танкової бригади 4-го гвардійського танкового корпусу 60-ї армії 1-го Українського фронту. Відзначився під час звільнення Львівської області.