Впоследствии был помощником командира, а затем командиром 22-го кавалерийского полка 4-й кавалерийской дивизии 1-го конного корпуса, затем — 1-й Конной армии. Под его началом полк успешно действовал в Воронежско-Касторненской операции. 19 октября 1920 года, наступая из вайона села Горки, он совместно с другими частями армии нанёс поражение частям конного корпуса А. Г. Шкуро, вынудив их отойти к Воронежу. Особенно отличился он в бою при овладении Воронежем 24 октября 1919 года. 2-я бригада под командованием Г. И. Мироненко, в которую входил полк, в пешем строю преодолела проволочные заграждения противника в районе села Подгорное и вышла на северную окраину города, в то время как 1-я бригада обошла его с запада, а 6-я кавалерийская дивизия ворвалась в него с востока. В результате, опасаясь окружения, белые были вынуждены оставить город. Приказом РВС 1-й Конной армии «за отличие в бою 24 октября 1919 г. на подступах к городу Воронежу» С. Ф. Поцелуйко был награждён орденом Красного Знамени, но РВС СССР это награждение было утверждено только 5 августа 1926 года. 22-й кавалерийский полк за отличия в этих боях приказом РВСР был удостоен почётного наименования «Воронежский».