בפרוץ המתקפה הגרמנית ב-22 ביוני 1941, היה פופוב מפקד המחוז הצבאי לנינגרד, שהפך לחזית הצפונית. ב-23 באוגוסט 1941 שונה שמה של החזית לחזית לנינגרד, והיא הופקדה על הגנת לנינגרד במהלך המצור הגרמני על העיר. במהלך מתקפת הנגד הרוסית באזור מוסקבה פיקד פופוב על הארמייה ה-61, ובקיץ 1942 פיקד לזמן קצר על הארמייה ה-48. לאחר מכן מונה פופוב למפקד הארמייה ה-40, ופיקד עליה במהלך מבצע וורונז'-וורושילובגרד. בסתיו 1942 מונה לסגן מפקד חזית סטלינגרד, ובדצמבר אותה שנה מונה למפקד ארמיית ההלם החמישית, עמה לחם במהלך מבצע טבעת. לאחר מכן מונה לתקופה קצרה למפקד ארמיית הטנקים החמישית, וביוני 1943 מונה מפקד חזית בריאנסק, עמה לחם במהלך מבצע קוטוזוב ומבצע בריאנסק. ב-10 באוקטובר 1943 מונה פופוב למפקד החזית הבלטית, שהפכה כעבור 10 ימים לחזית הבלטית השנייה. פופוב לחם עם החזית שבפיקודו במהלך מבצע לנינגרד-נובגורוד, ובאפריל 1944 מונה לראש מטה המפקדה הכללית הצפונית, תפקיד אותו מילא עד סוף המלחמה.