После излечения старший лейтенант Н. С. Потапенко вернулся в свою часть. Участвовал в Воронежско-Касторненской и Харьковской операциях. Отражая немецкое контрнаступление под Харьковом, 167-я стрелковая дивизия заняла оборонительные позиции в районе сёл Кияница и Пушкарёвка, которые удерживали до августа 1943 года. В ходе Курской битвы 167-я стрелковая дивизия располагалась на правом фланге Воронежского фронта и активными действиями сковывала противостоящие ей соединения 4-й танковой армии. В ходе Белгородско-Харьковской операции она действовала на вспомогательном направлении. Прорвав немецкую оборону в районе села Великая Чернетчина, дивизия вышла к реке Псёл напротив города Сумы. 26 августа 1943 года войска Воронежского фронта начали Сумско-Прилукскую фронтовую операцию, в ходе которой Н. С. Потапенко участвовал в освобождении городов Сумы и Ромны. Пройдя с боями около 300 километров, рота Потапенко 24 сентября 1943 года форсировала Десну у села Пуховка Броварского района Киевской области Украинской ССР и вышла к Днепру напротив села Новые Петровцы. 28 сентября старший лейтенант Н. С. Потапенко со своими бойцами первым в полку на подручных средствах форсировал Днепр и захватил плацдарм на его правом берегу севернее села Вышгород. При прорыве Восточного вала в критический момент боя Николай Семёнович личным примером поднял роту в атаку. 29 сентября 1943 года старший лейтенант Н. С. Потапенко погиб на северной окраине Вышгорода, подорвавшись на заложенном немцами фугасе. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 29 октября 1943 года старшему лейтенанту Потапенко Николаю Семёновичу было присвоено звание Героя Советского Союза посмертно. Место захоронения Н. С. Потапенко неизвестно.