В боях с немецко-фашистскими захватчиками капитан П. И. Гаврилов с 16 июля 1941 года в составе 28-й смешанной авиационной дивизии Западного фронта. В годы войны сражался на самолётах СБ и Пе-2. В первые месяцы войны полк понёс тяжёлые потери и в конце сентября 1941 года был выведен на переформирование и перевооружение. Лётный состав прошёл переобучение на самолётах Пе-2. Вновь в действующей армии капитан П. И. Гаврилов с 6 июля 1942 года в должности командира эскадрильи в составе 284-й бомбардировочной авиационной дивизии 15-й воздушной армии Брянского фронта. Участвовал в Воронежско-Ворошиловградской операции. В ноябре 1942 года 32-й бомбардировочный авиационный полк был выведен из состава 284-й бомбардировочной авиационной дивизии и преобразован в 32-й отдельный разведывательный авиационный полк. В качестве воздушного разведчика Пётр Иванович принимал участие в Воронежско-Касторненской и Малоархангельской операциях. Капитан Гаврилов выполнял самые сложные задания командования, совершал полёты в любых метеоусловиях. К марту 1943 года он стал лучшим разведчиком полка, а вскоре ему было присвоено очередное воинское звание — майор.