Во время Великой Отечественной войны в июле 1941 года на базе Полярной авиации и 412-го тяжёлого бомбардировочного авиационного полка была сформирована 81-я авиационная дивизия дальнего действия, в которой полковник М. И. Шевелёв был назначен заместителем командира дивизии. Эта дивизия участвовала в бомбардировках объектов противника в глубоком тылу, в том числе нанесла первый удар по Берлину, бомбила Кёнигсберг, Данциг, Плоешти. В ноябре-декабре 1941 года дивизия была переформирована в 3-ю авиационную дивизию дальнего действия, в которой заместителем начальника штаба стал М. И. Шевелев. В феврале 1942 года была создана Авиация дальнего действия, командующий которой стал бывший командир 81-й и 3-й авиадивизий дальнего действия А. Е. Голованов. Он пригласил на должность начальника штаба АДД М. И. Шевелева, с которым уже успел хорошо сработаться. На этом посту Шевелев воевал более 2-х лет, но в июне 1944 года внезапно снят с должности и два месяца не получал нового назначения. В августе 1944 года назначен начальником воздушной трассы Красноярск — Аляска и одновременно членом Коллегии Главного управления Гражданского воздушного флота при СНК СССР. 5 мая 1942 года ему было присвоено воинское звание «генерал-майор авиации», 25 марта 1943 года — «генерал-лейтенант авиации». Летом 1945 года успешно выполнил задачу до доставке высокопоставленной советской делегации в США по этой трассе и по доставке на Дальний Восток из Аляски в короткий срок большого количества самолётов по ленд-лизу в рамках подготовки к боевым действиям против Японии.