З початку радянсько-німецької війни генерал-майор О. І. Данилов начальник ППО Південно-Західного фронту. З жовтня 1941 року начальник штабу 21-ї армії, організував вихід її військ з оточення в районі міста Прилук, брав участь в Харківській битві в травні 1942 року. З червня 1942 року командувач 21-ю армією Сталінградського (з 28 вересня 1942 року — Донського) фронту, з'єднання якої стійко обороняли лівий берег Дону на ділянці станиця Клетська (нині смт Клетський Волгоградської області), Серафимович. З листопада 1942 року начальник штабу 5-ї танкової армії Південно-Західного фронту, яка брала участь у контрнаступі під Сталінградом. З травня 1943 року командувач 12-ю армією Південно-Західного фронту, третє формування якої було здійснено на базі 5-ї танкової армії. З квітня по червень армія знаходилася в резерві фронту, потім в серпні була введена в перший ешелон, де, змінивши з'єднання і частини 8-ї гвардійської армії на північний схід від Барвінкового, міцно утримувала займану смугу оборони. В ході Донбаської наступальної операції війська армії під командуванням генерал-лейтенанта О. І. Данилова завдали поразки з'єднанням 1-ї танкової армії противника, відвоювали місто Павлоград та у взаємодії з 25-ю стрілецькою дивізією 6-ї армії місто Синельникове, вийшли до Дніпра на північ від Запоріжжя, частиною сил форсували його і зав'язали бої за населений пункт Військове. В подальшому О. І. Данилов вміло керував з'єднаннями армії при форсуванні Дніпра та оволодінні Запоріжжям.