С октября он вступил в командование 577-м стрелковым полком 205-й стрелковой дивизии. До 10 июля 1942 г. дивизия входила в состав 15-й армии Дальневосточного фронта и выполняла задачи по прикрытию дальневосточных границ СССР, затем была передислоцирована на Сталинградский фронт. С 27 июля по 30 августа 1942 г. в составе 4-й танковой, а с 17 августа – 1-й гвардейской армий вела тяжелые оборонительные и наступательные бои против бузиновской группировки противника,с 10 августа находилась в окружении. После понесенных потерь 30 августа 1942 г. дивизия была расформирована, а подполковник П. В. Дмитриев в сентябре переведен на должность командира 122-го гвардейского стрелкового полка 41-й гвардейской стрелковой дивизии. В составе 66-й, а с 27 сентября – 24-й армий Сталинградского и Донского фронтов участвовал с ним в тяжелых оборонительных боях под Сталинградом. 14 октября дивизия была выведена в резерв ВГК и сосредоточена в районе ст. Романовка Саратовской обл. 4 ноября 1942 г. она вошла в 1-ю гвардейскую армию Юго-Западного фронта и участвовала в контрнаступлении под Сталинградом, в Среднедонской наступательной операции (в боях в районе Твердохлебовки и за г. Чертково). В январе – начале февраля 1943 г. в ходе Северо-Кавказской и Ворошиловградской наступательных операций ее части освободили города Чертково, Беловодск и Старобельск, Рубежное, Пролетарск, Лисичанск, районный центр Ново-Астрахань, форсировали р. Северский Донец. Затем дивизия преследовала противника в направлении Барвенково, Лозовая, Павлоград и к 18 февраля вела бои за Синельниково. С 18 февраля она вошла в 6-ю армию Юго-Западного фронта, а с 21 февраля вела бои в окружении. Лишь к 7 марта ей удалось прорвать кольцо окружения и вырваться к своим войскам в районе г. Изюм. На следующий день подполковник П. В. Дмитриев вступил в должность зам. командира 41-й гвардейской стрелковой дивизии (до апреля временно командовал дивизией вместо погибшего генерал-майора Н. П. Иванова). После выхода из окружения ее части с 19 марта 1943 г. в течение пяти месяцев вели оборонительные бои по вост. берегу р. Северский Донец. В августе 1943 г. дивизия вошла в 57-ю армию и в составе войск Юго-Западного, а с 9 августа – Степного фронтов участвовала с ней в Белгородско-Харьковской наступательной операции. С 7 сентября 1943 г. допущен к командованию 113-й стрелковой дивизией. В октябре ее части в составе 7-й гвардейской армии Степного (с 20 октября – 2-го Украинского) фронта вели непрерывные наступательные бои по освобождению Левобережной Украины, пройдя при этом свыше 70 км. С 31 октября дивизия вошла в 57-ю армию этого же фронта и до марта 1944 г. находилась в обороне на рубеже Богдановка, ст. Куцовка, Сотнинский хут. Затем она принимала участие в Березнеговато-Снигиревской наступательной операции, в форсировании р. Днестр, освобождении г. Бобринец. Захватив плацдарм на западном берегу реки, ее части перешли к обороне. 9 июня 1944 г. полковник П. В. Дмитриев освобожден от командования по состоянию здоровья и зачислен в резерв Военного совета 3-го Украинского фронта. До января 1945 г. находился на лечении в госпитале в г. Пятигорск по болезни и в санатории г. Ессентуки, затем направлен в распоряжение
