В ряды Рабоче-крестьянской Красной Армии Н. А. Попов был призван Белоярским районным военкоматом Свердловской области. Службу начал в Ивановской области в составе 9-го воздушно-десантного корпуса. Прошёл боевую подготовку воина-десантника. В августе 1942 года на базе корпуса была сформирована 36-я гвардейская стрелковая дивизия. В её составе стрелок 104-го гвардейского стрелкового полка гвардии красноармеец Н. А. Попов 11 августа 1942 года прибыл на Сталинградский фронт. До второй декады августа основные силы дивизии, включённой в состав 57-й армии, находились в резерве фронта. В боях с немецко-фашистскими захватчиками Николай Антонович участвовал с 20 августа 1942 года. Боевое крещение принял в боях в межозерном дефиле Сарпа-Цаца против частей 48-го танкового корпуса вермахта. В конце августа 1942 года 36-я гвардейская стрелковая дивизия была передана в состав 64-й армии и вела бои на южных подступах к Сталинграду. В ходе контрнаступления советских войск под Сталинградом она по тактическим соображениям несколько раз переподчинялась 57-й и 64-й армиям Донского фронта. Гвардии красноармеец Н. А. Попов принимал участие в операциях «Уран» и «Кольцо», ликвидации окружённой в городе группировки противника.