Mãi đến tháng 5 năm 1942, ông mới được gửi ra mặt trận với chức vụ Phó tham mưu trưởng của Lữ đoàn xe tăng 160. Phục vụ trong Quân đoàn xe tăng 11, ông tham gia vào các trận chiến phòng thủ của Phương diện quân Bryansk. Chưa đầy một tháng sau khi đến mặt trận, ông được giao chỉ huy một đơn vị xe tăng xung kích thay cho chỉ huy trước đã hy sinh. Chiếc xe tăng của ông đã bị bắn hạ trong một trận chiến vào ngày 11 tháng 7, bản thân Obaturov bị thương nặng và bị bỏng trong một chiếc xe tăng. Ông phải nằm điều trị tại một bệnh viện ở Kemerovo trong hơn 3 tháng.

Tháng 9 năm 1942, ông được bổ nhiệm làm Tham mưu trưởng Lữ đoàn xe tăng 239 trong Quân đoàn 11 của Phương diện quân Tây Bắc, vào tháng 10 năm 1942, được bổ nhiệm làm Phó trung đoàn trưởng một trung đoàn xe tăng trong lữ đoàn này. Ông tham chiến trong Chiến dịch Demyansk, sau đó là trận Demyansk thứ hai vào năm 1943. Tại Demyansk, ông bị thương hai lần, kể cả trong trận chiến ngày 17 tháng 2 năm 1943, đến nỗi ông phải nằm gần 8 tháng trong bệnh viện.

Sau khi phục hồi, ông được chuyển đến khu vực phía nam của mặt trận Xô-Đức. Từ tháng 10 năm 1943, với tư cách là Tham mưu trưởng của Lữ đoàn cơ giới số 13 của Quân đoàn cơ giới số 4, ông đã chiến đấu trên các mặt trận của Phương diện quân Nam, Phương diện quân Ukraina 3 và Phương diện quân Ukraina 2. Ông được khen ngợi xuất sắc trong các chiến dịch Melitopolsky (nơi ông đã bị thương lần thứ tư ngày 17 tháng 10 năm 1943), Chiến dịch tấn công Nikopol–Krivoi Rog, Chiến dịch tấn công Bereznegovatoye–Snigirevka (nơi ông bị thương lần thứ năm vào ngày 17 tháng 3 năm 1944), Chiến dịch tấn công chiến lược Iaşi-Chişinău.

Vào mùa thu năm 1944, ông giữ chức vụ là chỉ huy lữ đoàn, được phối thuộc với các lực lượng được chỉ huy bởi Beograd và tham gia vào chiến dịch Budapest. Ông tham chiến trận cuối cùng trước khi kết thúc chiến tranh tại Slovakia.

Trong chiến tranh, ông đã nhiều lần thể hiện năng lực chiến thuật và lòng can đảm cá nhân (5 vết thương). Trong ba năm tham chiến, ông đã được trao bảy huân chương và một huy chương Quân công.