Đại tá Varentsov tham gia Chiến tranh Vệ quốc Vĩ đại với tư cách là Chỉ huy trưởng pháo binh Quân đoàn súng trường 6, thuộc Phương diện quân Tây Nam. Ông đã tham gia các trận chiến phòng thủ ở Ukraina. Trong trận Kiev 1941, ông đã cứu được một phần đáng kể pháo binh của quân đoàn và rút nó ra khỏi vòng vây thông qua hàng loạt các trận đánh, đồng thời bổ sung thêm được vài nghìn binh sĩ Hồng quân từ các đơn vị bị tan rã vào đơn vị của mình. Vì thành tích này, ông đã được thăng quân hàm Thiếu tướng pháo binh (11/09/1941) và vào tháng 11 năm 1941, ông được bổ nhiệm làm chủ nhiệm pháo binh của Tập đoàn quân 40 Phương diện quân Tây Nam.