В том же месяце капитан И. С. Пахомов был назначен начальником 1-го (оперативного) отделения штаба 99-й стрелковой дивизии Южного фронта. Участвовал с ней в Ростовской наступательной операции 1941 г., в освобождении г. Ростов-на-Дону. С 24 декабря 1941 г. исполнял должность начальника штаба 141-й отдельной стрелковой бригады Сталинградского ВО. В мае 1942 г. бригада направлена на Брянский фронт в состав 40-й армии. В июне подполковник И. С. Пахомов был назначен зам. начальника оперативного отдела штаба 40-й армии, с июля исполнял должность начальника штаба управления тыла этой армии. В составе войск Брянского, а с 9 июля – Воронежского фронтов участвовал в Воронежско-Ворошиловградской оборонительной операции. В октябре 1942 г. назначен зам. командира 141-й стрелковой дивизии 40-й армии Воронежского фронта. В декабре командовал сводной группой в боях по освобождению городов Воронеж, Курск и других, за что был награжден орденом Красного Знамени. Затем в составе 40-й и 60-й армий участвовал в Острогожско-Россошанской, Воронежско-Касторненской и Харьковской наступательных операциях. С 14 марта 1943 г. части дивизии перешли к жесткой обороне по восточному берегу р. Сейм, где находились до конца лета (с 26 марта – в составе войск Центрального фронта). С 31 августа
1943 г. дивизия в составе 60-й армии Центрального фронта участвовала в Черниговско-Припятской наступательной операции. В ходе ее она форсировала реки Сейм (дважды), Десна и вышла к Днепру. В ночь на 3 октября ее части форсировали Днепр на участке западнее 2 км Окуниново и заняли оборону на плацдарме в районе Страхолесье. Полковник И. С. Пахомов непосредственно руководил переправой частей дивизии через Днепр. Приказом по войскам 1-го Украинского фронта от 9.11.1943 он был награжден орденом Отечественной войны 1-й ст. С 6 октября 1943 г. вступил во временное командование 132-й стрелковой Бахмачской Краснознаменной дивизией. Ее части вели упорные бои на плацдарме на зап. берегу Днепра (севернее Киева), а с 3 ноября участвовали в Киевской наступательной операции. Однако в этой должности полковник И. С. Пахомов проявить себя не сумел. 7 ноября «за плохое руководство боевыми действиями и неумение управлять в бою частями дивизии» отстранен от командования и вновь назначен зам. командира 141-й стрелковой Киевской дивизии 60-й армии 1-го Украинского фронта. Здесь он проявил себя только с положительной стороны. Участвовал в Киевских наступательной и оборонительной, Житомирско-Бердичевской наступательной операциях. В марте – апреле 1944 г. дивизия в составе 1-й гвардейской армии успешно действовала в Проскуровско-Черновицкой наступательной операции, за что была награждена орденом Красного Знамени (19.3.1944). 27 апреля она заняла оборону во втором эшелоне 30-го стрелкового корпуса на рубеже Ныркув, Шуторминцы, Ружанувка. С 30 апреля 1944 г. полковник И. С. Пахомов был допущен ккомандованию 141-й стрелковой Киевской Краснознаменной дивизией. 20 июля 1944 г. ее части перешли в наступление, форсировали с ходу р. Днестр и вели боевые действия в южном направлении. 26 июля они освободили г. Станислав, а 30 июля обходным маневром