18 августа 1942 года за образцовое выполнение боевых заданий командования 250-й авиационный полк дальнего действия приказом НКО № 250 был преобразован в 4-й гвардейский. С 25 августа 1942 года в составе своей дивизии полк сосредоточился на боевой работе на сталинградском направлении. Лётчики полка почти беспрерывно наносили бомбовые удары по переправам противника через Дон в районах Песковатки, Трёхостровской, Нижней Акатовки, Вертячего и Калачкина. С 3-го по 20 сентября 1942 года 4-й гвардейский авиационный полк первым в дивизии был перевооружён бомбардировщиками Ли-2, а его лётный и технический состав прошёл переобучение на новых самолётах. Затем полк участвовал в боях в Сталинграде, поддерживая действия 62-й и 64-й армий. В ходе контрнаступления советских войск под Сталинградом он действовал в полосе наступления Юго-Западного фронта. Гвардии старший лейтенант А. Н. Пономаренко участвовал в бомбардировках железнодорожных узлов Миллерово, Лихая, аэродромов Тацинская, Обливская, станций Острогожск, Богучар, Чертково. В ходе операции «Кольцо» 62-я авиационная дивизия дальнего действия оказывала противодействие немецкой авиации в доставке продовольствия и боеприпасов окружённой 6-й армии фельдмаршала Паулюса, а также непосредственно участвовала в ликвидации немецкой группировки в Сталинграде. 15 января 1943 года при налёте на аэродром Питомник на северной окраине Сталинграда бомбардировщик старшего лейтенанта А. Н. Пономаренко был атакован немецким истребителем Ме-109Ф. В результате прямого попадания снаряда на самолёте была разбита приборная доска, выведены из строя приборы винтомоторной группы, тяжёлые ранения получили второй пилот и борттехник. Разрывом второго снаряда был контужен и ранен в голову командир корабля А. Н. Пономаренко. Тем не менее, Алексей Никифорович вывел бомбардировщик на цель. После успешного выполнения боевой задачи он привёл повреждённый самолёт на свой аэродром, чем спас экипаж и сохранил машину.