На фронтах Великой Отечественной войны с июня 1941 года. 17 декабря 1941 года над Ладожским озером при одиночном полёте с целью прикрытия транспортных самолётов из блокадного Ленинграда капитан Пилютов столкнулся с 6 истребителями противника. В неравном воздушном бою он сбил 2 вражеских самолёта и, несмотря на ранения, сумел посадить свой подбитый самолёт. К этому времени совершил 170 боевых вылетов. В воздушных боях лично сбил 6 и в составе группы 4 самолёта противника. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 10 февраля 1943 года за образцовое выполнение боевых заданий командования и проявленные при этом геройство и мужество подполковнику Пилютову Петру Андреевичу присвоено звание Героя Советского Союза. К 9 мая 1945 года гвардии подполковник П. А. Пилютов совершил 344 боевых вылета, провёл 74 воздушных боя, сбил 14 самолётов противника лично и 1 в составе группы. Участвовал в Параде Победы в Москве на Красной площади 24 июня 1945 года.