З серпня 1942 року М. І. Варчук — командир 737-го винищувального авіаційного полку 205-ї винищувальної авіаційної дивізії. У листопаді 1942 року полк був переданий до складу 227-ї штурмової авіаційної дивізії. У складі 2-ї повітряної армії винищувачі М. І. Варчука підтримували війська Південно-Західного фронту в ході Сталінградської операції. У ході повітряних боїв над Сталінградом льотчики полку зробили 156 бойових вильотів на прикриття і супровід штурмовиків Іл-2, збили 4 літаки противника.