С июля 1942 года — на фронтах Великой Отечественной войны. К июлю 1944 года лейтенант Василий Мухин командовал звеном 178-го гвардейского истребительного авиаполка 14-й гвардейской истребительной авиадивизии 3-го гвардейского истребительного авиационного корпуса 5-й воздушной армии 2-го Украинского фронта. К тому времени он совершил 227 боевых вылетов, принял участие в 64 воздушных боях, лично сбив 15 вражеских самолётов. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 23 февраля 1945 года за «образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецкими захватчиками и проявленные при этом мужество и героизм» гвардии лейтенант Василий Мухин был удостоен высокого звания Героя Советского Союза. После представления к званию Героя сражался столь же отважно и умело. К 9 мая 1945 года гвардии старший лейтенант В. Ф. Мухин совершил 291 боевой вылет, провёл 83 воздушных боя, сбил лично 20 самолётов противника. После окончания войны Мухин продолжил службу в Советской армии.