В июле 1942 года назначен комиссаром 222-й авиадивизии дальнего действия, а в феврале 1943 года был назначен её командиром. Дивизия базировалась в Подмосковье и оказывала авиационную поддержку войскам Западного, Калининского, Сталинградского, Брянского фронтов. Основными целями дивизии были войска и скопления техники на станциях и железнодорожных узлах Гомель, Вязьма, Витебск, Орша, Смоленск, Брянск, авиация на аэродромах Курск, Смоленск, Сеща, Витебск, Ново-Дугино. За мужество и героизм личного состава в борьбе с немецко-фашистскими захватчиками приказом Народного комиссара обороны СССР от 26 марта 1943 года 222-я авиационная дивизия дальнего действия переименована в гвардейскую и она стала именоваться 4-я гвардейская авиационная дивизия дальнего действия. Полковник Кожемякин по-прежнему остался её командиром. Под его командованием дивизия прошла славный боевой путь, участвуя в Курской битве, Смоленской, Белгородско-Харьковской, Брянской, Гомельско-Речицкой, Крымской, Львовско-Сандомирской, Ясско-Кишиневской наступательных операциях. За отличия в боевых действиях дивизия получила почётное наименование «Брянская». При реорганизации Авиации дальнего действия в декабре 1944 года дивизия стала именоваться 14-й гвардейской бомбардировочной авиационной дивизией, и под командованием гвардии полковника И. И. Кожемякина участвовала в Висло-Одерской, Нижне-Силезской, Восточно-Померанской, Венской и Берлинской наступательных операциях, а также в осаде города-крепости Бреслау.