С начала Великой Отечественной войны Н. И. Кирюхин в той же должности. С сентября 1941 года — командир 324-й стрелковой дивизии, которая с декабря 1941 года в составе 10-й армии Западного фронта участвовала в Тульской, а с февраля 1942 года в составе 16-й армии того же фронта — в Ржевско-Вяземской наступательных операциях. С марта 1942 года — заместитель командующего 16-й армии, с 13 марта 1942 года временно исполнял должность командующего армией, заменяя раненого генерал-лейтенанта К. К. Рокоссовского. С 5 июня 1942 года — командир 9-го гвардейского стрелкового корпуса, который в составе 61-й армии Западного фронта вёл оборонительные и наступательные бои юго-западнее города Белёв, прикрывая тульское направление. С 11 октября 1942 года — командующий 20-й армии Западного фронта, которая в ноябре-декабре 1942 года в ходе второй Ржевско-Сычёвской операции (операция «Марс») вела наступление на сычёвском направлении, но потерпела неудачу и понесла большие потери.