8 января 1942 года был тяжело ранен при артобстреле во время выезда в войска под Севастополем, по медицинским показателям подлежал эвакуации, однако по настоянию командующего армией генерал-майора Петрова был оставлен в городе. В конце марта вернулся к штабной работе, но незалеченная рана потом причиняла боль всю жизнь. Был эвакуирован из города в последние дни обороны со штабом армии на подводной лодке.
Затем более месяца был в резерве и писал отчёт об обороне Севастополя. В августе 1942 года назначен начальником штаба 1-й гвардейской армии, но через несколько дней срочно вызван в Сталинград и назначен начальником штаба 62-й армии, которая вела многомесячные уличные бои в городе. До прибытия нового командующего В. И. Чуйкова почти месяц командовал армией. На протяжении всей Сталинградской битвы со штабом оставался в городе, хотя штаб армии располагался примерно в 800 метрах от позиций врага. Там он стал близким другом В. И. Чуйкова, а также много месяцев его начальником был член Военного совета фронта Н. С. Хрущев. После войны Н.И. Крылов напишет очерк «Волжская твердыня».
После победы под Сталинградом генерал Крылов Н.И. назначен в мае 1943 года командующим войсками 3-й резервной армии Ставки Верховного Главнокомандования.
С июля 1943 года – командующий 21-й армией на Западном фронте. Генерал-лейтенант (9 сентября 1943 года). С октября 1943 года – командующий 5-й армией на Западном фронте, участвовал в Оршанской и Витебской операциях. Затем армия была передана 3-му Белорусскому фронту. Во главе этой армии ярко раскрылся полководческий талант Крылова. В ходе Белорусской стратегической операции 1944 года части армии успешно наступали у Витебска, Орши, Минска, штурмовали Вильнюс и отбивали контрудары врага под Каунасом. За отличное командование войсками в Белорусской операции указом Президиума Верховного Совета СССР от 19 апреля 1945 года Н. И. Крылову присвоено звание Героя Советского Союза и воинское звание генерал-полковника (15 июля 1944 года).
В октябре-декабре 1944 года Крылов два месяца лежал в госпитале в Москве (открылась старая рана), затем вернулся на пост командующего и отличился в Восточно-Прусской операции.
После победы над Германией 5-я армия в полном составе была переброшена на Дальний Восток и включена в состав 1-го Дальневосточного фронта. Участник Советско-японской войны в августе 1945 года. Вместе с командующим фронтом Маршалом Советского Союза К. А. Мерецковым им был предпринят дерзкий шаг против 3-й японской армии. В условиях проливного дождя, без артподготовки, через границу скрытно были выдвинуты передовые части, которые абсолютно внезапно для японцев атаковали и уничтожили долговременные огневые сооружения, прорвав глубоко эшелонированный приграничный оборонительный рубеж. За успешный разгром противостоящих группировок врага в этой операции Н. И. Крылову