На фронтах Великой Отечественной с июня 1941 года (ушел добровольцем). Со дня формирования проходил службу в штабе 62-й армии (с 16 апреля 1943 года — 8-я гвардейская армия). Отличился в боях за Сталинград. Сергей Михайлович Камынин служил заместителем начальника штаба 62-й армии (подполковник), начальником штаба 62-й армии (сентябрь 1943) (гвардии полковник), начальником Оперативного отдела штаба 8-й гвардейской армии (сентябрь 1943 — январь 1944).