С декабря 1940 по ноябрь 1942 года обучался сначала в Новосибирской летной школе, а затем окончил Омскую военную авиационную школу пилотов.
C 28 декабря 1942 года по июнь 1943 года находился на боевой стажировке в 17-м учебно-тренировочном авиационном полку, базировавшемся близ г. Сосновка Тамбовской области, где проходил оттачивание техники пилотирования на самолете Пе-2.
Данный тип бомбардировщика, или, как его ласково называли советские летчики, «пешка», в 1943 году стал наиболее массовой машиной в советской фронтовой бомбардировочной авиации. Первоначально задуманный и спроектированный как высотный истребитель, он был быстро переделан в боевую машину совершенно другого назначения – пикирующий бомбардировщик. Экипаж самолета состоял из трех человек: летчика, штурмана и стрелка-радиста. На вооружении имелось 4 пулемета, нормальная бомбовая нагрузка составляла 600 кг (максимальная – 1000). Скорость полета находилась на уровне 450–500 км/ч. Дальность полета с бомбами – 1200–1300 км.
Несмотря на ряд недостатков, обусловленных быстротой переделки в бомбардировщик, Пе-2 оказался весьма эффективным самолетом. Однако среди летного состава отношение к нему сложилось неоднозначное. С одной стороны, это была современная для того времени машина, с отличными летными характеристиками, неплохим оборудованием и автоматикой. С другой стороны – «пешка» оказалась сложна в пилотировании, особенно при взлете и посадке. В случае небрежностей управления при торможении самолет во время пробега проявлял склонность к капотированию – опрокидыванию машины на нос. На разбеге – имел тенденцию к развороту.
В целом до конца войны Пе-2 сохранил высокую боевую эффективность и оставался наиболее распространенным советским бомбардировщиком. Всего за 1940–1945 годы, по разным данным, было выпущено чуть более 11 тысяч самолетов Пе-2 в различных модификациях.
С 10 июня 1943 года Анвар Гатауллин участвовал в боевых действиях в составе 99-го гвардейского Забайкальского отдельного разведывательного авиационного полка. 26 июля 1943 года ему было присвоено воинское звание «младший лейтенант». В качестве летчика-командира экипажа, а затем командира звена он вел воздушную разведку войск, скоплений техники, стратегических объектов и коммуникаций противника, производил фотографирование вражеских оборонительных линий на Брянском, Прибалтийском и 2-м Прибалтийском фронтах.
Орловская (12 июля – 18 августа 1943 г.), Брянская (1 сентября – 3 октября 1943 г.), Старорусско-Новоржевская (18 февраля – 1 марта 1944 г.), Режицко-Двинская (10–27 июля 1944 г.), Мадонская (1–28 августа 1944 г.), Рижская (14 сентября – 22 октября 1944 г.) наступательные операции. При их подготовке и проведении советскому командованию требовались точные данные о расположении вражеских войск и глубине его обороны. Экипаж Гатауллина всегда направлялся на особо опасные и трудные задания. Несмотря на сложность обстановки, он постоянно доставлял ценные разведданные о местонахождении войск противника. Трудно представить, сколько солдатских