В январе 1942 года назначен командиром разведывательной роты в 175-ю стрелковую дивизию. Под Харьковом дивизия попала в окружение. Разведрота Н. С. Сергеева сумела выйти к своим войскам в районе Сталинграда и влилась в состав формировавшейся 169-й стрелковой дивизии 64-й армии. Разведчикам был дан приказ захватить пленного. В ходе дерзкой вылазки в тыл противника в результате скоротечного боя разведгруппе Н. С. Сергеева удалось захватить и доставить в штаб дивизии пленного немецкого офицера. При выполнении этого задания Сергеев Н. С. был ранен, но остался в строю, и в октябре 1942 года его назначают помощником начальника разведки 169-й стрелковой дивизии.В 1945 году 129-я сд в составе 3-й армии 3-го Белорусского фронта участвует в Восточно-Прусской операции. В этой операции разведчики Сергеева успешно выполнили поставленные перед ними боевые задачи. В марте 1945 года дивизия вышла к заливу Фриш-Гаф и участвовала в штурме Кёнигсберга.