Cuando se inició la invasión alemana de la Unión Soviética en junio de 1941, Nina inmediatamente se ofreció como voluntaria para el servicio en el Ejército Rojo, sin embargo, el funcionario encargado de la oficina de reclutamiento, rechazó su solicitud debido a su edad (en ese momento tenía 48 años) y a que tenía familia. Pero unos días después fue admitida en la 4.º División de la Milicia Popular de Leningrado, después ingresó brevemente en un batallón médico. En noviembre de 1941, se trasladó al frente para luchar como francotiradora en el 1er Batallón de Fusileros del 284º Regimiento de Fusileros de la 86.ª División de Fusileros de Tartu (42.ª Ejército del Frente de Leningrado), donde ascendió de rango a sargento mayor (starshina). En el sitio de Leningrado entrenó a otros soldados del Ejército Rojo como francotiradores además de participar directamente en combate.