С июня 1941 года — на фронтах Великой Отечественной войны. Принимал участие в боях на Юго-Западном, Сталинградском, Южном, 4-м Украинском фронтах. Участвовал в Киевской операции 1941 года, Харьковской операции 1942 года, Сталинградской битве, Донбасской и Мелитопольской операциях. 23 мая 1942 года получил ранения в голову, руку и ногу, но вернулся в строй. К ноябрю 1943 года гвардии майор Пётр Дзюба был помощником командира 85-го гвардейского истребительного авиаполка по воздушно-стрелковой службе 6-й гвардейской истребительной авиадивизии 8-й воздушной армии Южного фронта.