С началом Великой Отечественной Войны Н.А. Васильев— начальник штаба 250 стрелковой дивизии, которая находилась на формировании в Московском военном округе в городе Владимир. По завершении формирования дивизия участвовала в Смоленском сражении, вела тяжёлые наступательные и оборонительные бои на белыйском и демидовском направлениях.

В ноябре 1941 года Н.А. Васильев был назначен командиром 298-й стрелковойдивизии, которая находилась на формировании в Сибирском военном округе в городе Барнаул. В феврале 1942 года дивизия была переброшена на Западный фронт, где вела оборонительные бои юго-западнее города Юхнов.

В августе 1942 года дивизия была передислоцирована на Сталинградский фронт. Части дивизии с ходу вступили в бой с противником в районе села Котлубань в общем направлении Малая Россошка и нанесли ему существенный урон в живой силе и боевой технике. 4 августа 1942 года Н.А. Васильеву было присвоено очередное звание генерал-майор. В последующем дивизия вела тяжёлые наступательные и оборонительные бои.

В декабре 1942 года дивизия была передана в состав 21-й армии этого же фронта и участвовала в ликвидации окружённой под Сталинградом группировки противника, за что генерал-майор Н.А. Васильев был награждён орденом Суворова 2-й степени. За боевые отличия в Сталинградской битвы, мужество и героизм личного состава 298-я стрелковая дивизия была преобразована в 80-ю гвардейскую. С февраля 1943 генерал-майор Н.А. Васильев исполнял должность заместителя командующего войсками 64-й армии, в этой должности занимался укреплением обороны армии на реке Северский Донец в районе города Белгород.

С апреля 1943 года — командир 24-го гвардейского стрелкового корпуса, который в составе этих же армии и фронта участвовал в Белгородско-Харьковской наступательной операции и освобождении городов Белгород и Харьков. За умелое руководство частями корпуса Н.А. Васильев был награждён орденом Кутузова 2-й степени. В конце сентября соединения и части корпуса вышли к реке Днепр севернее города Верхнеднепровск и форсировали её. «Только благодаря находчивости генерала Васильева, сумевшего мобилизовать подручные переправочные средства и привлечь к помощи местное население…» — отмечалось в аттестационном листе на присвоение ему воинского звания генерал-лейтенанта. Части корпуса в числе первых форсировали Днепр с ходу и захватили плацдарм на правом берегу, за что Н.А. Васильеву 26 октября 1943 года было присвоено звание Героя Советского Союза.

В январе 1944 года корпус участвовал в Кировоградской наступательной операции и освобождении города Кировоград. В январе 1944 года Н.А. Васильеву было присвоено очередное звание генерал-лейтинант. В последующем его части, форсировав реку Южный Буг в районе города Первомайск, преследовали противника в направлении городов Котовск, Рыбница, в мае 1944 года — вступили на территорию Румынии и завязали бои южнее города Ботошани. Корпус Васильева принимал участие в Витебско-Оршанской, Полоцкой, Шауляской, Рижской и Мемельской наступательных операциях, в освобожденииПрибалтики и разгроме курляндской группировки противника, за что генерал-лейтенант Н.А. Васильев был награждён орденами Кутузова 1-йстепени и Суворова 2-й степени. Войну закончил в Риге.