С мая 1942 года — на фронтах Великой Отечественной войны. Прошёл всю войну в составе 19-го гвардейского истребительного авиационного полка (7-я воздушная армия, Карельский фронт). Был командиром звена, с августа 1942 года — заместителем командира эскадрильи, с марта 1944 года — заместителем командира и штурманом эскадрильи, с апреля 1944 года — командиром эскадрильи. Летал на истребителях «Киттихаук» и «Аэрокобра». В августе 1943 года был направлен на учёбу, а марте 1944 года Дмитрюк окончил курсы усовершенствования командиров эскадрилий в Липецке. Участвовал в обороне Заполярья, в защите с воздуха Мурманска и Кировской железной дороги, в Петсамо-Киркенесской наступательной операции. Всего совершил 206 боевых вылетов, в 37 воздушных боях лично сбил 8 и в группе 14 самолётов противника. Сам был один раз сбит и ранен в воздушном бою над вражеской территорией, четверо суток по тундре пробирался к своим, был спасён случайно встретившими его бойцами лыжного разведотряда.