В ряды Рабоче-крестьянской Красной Армии Н. Т. Пономарёв был призван Гавриловским районным военкоматом Чкаловской области в мае 1942 года. Окончил полковую школу младших командиров, получил воинскую специальность наводчика артиллерийского орудия. В боях с немецко-фашистскими захватчиками младший командир Н. Т. Пономарёв с 14 сентября 1942 года в составе 1189-го истребительно-противотанкового артиллерийского полка Юго-Западного фронта. Николай Тимофеевич прибыл в часть в момент её переформирования. Во второй половине сентября полк, в котором начал службу Н. Т. Пономарёв, вместе с другими артиллерийскими частями Юго-Западного фронта был обращён на формирование 1-й артиллерийской дивизии резерва Верховного Главнокомандования. Формирование дивизии было завершено в конце октября 1943 года, и 5 ноября она была включена в состав 21-й армии Юго-Западного фронта. Накануне контрнаступления советских войск под Сталинградом дивизия сосредоточилась в районе станицы Клетской. 19 ноября 1943 года Н. Т. Пономарёв участвовал в тридцатиминутной артиллерийской подготовке, возвестившей о начале операции «Уран».