В начале Великой Отечественной войны, в июле 1941 года, был направлен на учёбу в Военную академию РККА имени М. Ф. Фрунзе. При прорыве немецких войск на Московском направлении в октябре 1941 года в составе группы слушателей был направлен на фронт и участвовал в битве за Москву, после начала контрнаступления советских войск под Москвой возвращён в академию и окончил её ускоренный курс в апреле 1942 года. С апреля 1942 года служил начальником штаба 163-й танковой бригады, формирующейся в Московском военном округе. В июле 1942 года в составе бригады вступил в бой на Сталинградском фронте, но в ходе кровопролитнейшей Сталинградской битвы уже в августе был тяжело ранен. По выздоровлении с октября 1942 года был старшим помощником начальника оперативного отдела штаба 8-го танкового корпуса на Западном фронте. Вскоре корпус был переформирован в 3-й механизированный корпус, Зайцев остался при этой на той же должности и участвовал в рядах корпуса в операции «Марс». В феврале 1943 года направлен в формирующейся на Урале 30-й Уральский добровольческий танковый корпус, где был назначен помощником начальника штаба 197-й танковой бригады по оперативной работе, в октябре 1943 — старшим помощником начальника штаба корпуса по оперативной работе (корпус в то время за отличия в боях получил гвардейское наименование и был переименован в 10-й гвардейский Уральский добровольческий танковый корпус).