В начале Великой Отечественной войны Н. П. Пухов направлен на фронт и с августа 1941 года командовал 304-й стрелковой дивизией. В составе 38-й армии Юго-Западного фронта дивизия в сентябре 1941 года участвовала в оборонительных боях в районе Полтавы, в октябре — в Сумско-Харьковской оборонительной операции. Хотя дивизии приходилось нести большие потери, Пухову удалось добиться искоренения фактов паники и отходов без приказа.