В марте 1942 года И. И. Сергеев был назначен командиром 88-й танковой бригады, которая начала формироваться в Сталинграде. В конце мая бригаду включили в состав 13-го танкового корпуса, с которым в июне 1942 года на Юго-Западном фронте она участвовала в контрударе по наступавшей у Волчанска группировке войск противника. Затем бригада в составе 21-й армии принимала участие в Воронежско-Ворошиловградской оборонительной операции, понесла большие потери. С июля 1942 года бригада была на переформировании в Приволжском военном округе, в начале января 1943 года прибыла на Воронежский фронт. Там она участвовала в Острогожско-Россошанской наступательной, Харьковской наступательной и Харьковской оборонительной операциях. В ходе последней полковник И. Сергеев уже в третий раз был вынужден вести тяжёлые бои в окружении, но вновь сумел сохранить основную часть личного состава своей части и вырваться к своим.