Cách đây hơn 47 năm, khi 19 tuổi, vừa tốt nghiệp Trường Cấp 3 Lê Xoay, giữa lúc cuộc kháng chiến chống Mỹ cứu nước của dân tộc đang ở giai đoạn quyết liệt, cam go nhất, tạm gác lại ước mơ học tiếp đại học, ông xung phong lên đường nhập ngũ và được điều động về Đại đội 3, Tiểu đoàn 172, Trung đoàn tên lửa phòng không 237. Sau 4 tháng huấn luyện, tháng 02/1972, đơn vị của ông được lệnh hành quân bộ thần tốc 3 tháng vượt dãy Trường Sơn vào thẳng chiến trường đánh chặn ác liệt tại miền Đông Nam Bộ. Tới tháng 4/1972, ông cùng đơn vị D172 tham gia chiến dịch Nguyễn Huệ, khu vực Minh Thạnh (Tây Ninh), phối thuộc Sư đoàn 7 – Bộ binh làm nhiệm vụ chốt chặn lộ 13, chỉ huy mũi A72, thực hiện bí mật, bất ngờ tiêu diệt máy bay Mỹ - Ngụy, yểm trợ và bảo vệ lực lượng bộ binh ta đánh địch. Ngày 05/4/1972, khi một tốp máy bay Mỹ ngụy kéo tới bắn phá, gây tội ác, nhận lệnh chiến đấu, ông cùng đồng đội nhanh chóng tổ chức trận địa chiến đấu. Là xạ thủ tên lửa vác vai (A72), Nguyễn Văn Thoa đã vận dụng những kiến thức được huấn luyện ngắn hạn một cách linh hoạt vào thực tiễn chiến đấu như cấu tạo, nguyên lý hoạt động của tên lửa đầu dò tầm nhiệt A72, ước lượng cự ly, chọn vị trí, tính toán tham số và thời điểm phóng đạn, tốc độ di chuyển và khoảng cách của máy bay địch, điều kiện nhiệt thời tiết, v.v..... để điều chỉnh ống ngắm, tọa độ ngắm, tất cả từ lúc lên nòng tới khi nhả đạn chỉ cho phép thời gian khoảng 60 giây, quá thời gian đó mà chưa bắn thì coi như hỏng do vũ khí sử dụng loại pin đặc biệt. Trong giờ khắc sinh tử, ý chí chiến đấu, tình yêu quê hương đất nước và cả tài năng thiên bẩm của ông mà chỉ sau khoảng 37 giây ngắm, quả đạn tên lửa A72 đã phóng trúng, nổ tung mục tiêu trên bầu trời là chiếc trực thăng HUA1 trong niềm sung sướng tột cùng của ông và các đồng đội.