В первый год Великой Отечественной войны, когда фашисты отчаянно рвались к Москве, многие крупные заводы и фабрики эвакуировались на Урал и в Сибирь. Но крупнейший завод Новомосковский химический комбинат не останавливал своей работы, невзирая на налёты вражеской авиации. Под фашистскими бомбами рабочие производили аммиак, азотные удобрения и другие химические продукты, которые использовались для изготовления взрывчатых веществ и боеприпасов, а также делали снаряды для знаменитых реактивных миномётов «катюша».
Осенью 1941 года город оказался в зоне активных боевых действий. Он стал одним из рубежей обороны столицы, к которой стремились прорваться немецкие войска. Местные жители возвели мощные фортификационные сооружения, а части народного ополчения вместе с регулярными соединениями Красной Армии бились с врагом. Всего за годы Великой Отечественной войны из Новомосковского района отправились на фронт около 28,5 тысячи человек, из которых 7 668 человек погибли в боях за Родину.
Несмотря на сопротивление, фашистам всё же удалось захватить город. Оккупация продлилась с 23 ноября по 12 декабря 1941 года. И все эти дни новым «хозяевам» не давали покоя члены партизанского отряда «Смерть фашизму», созданного из жителей города и соседних сёл. Партизанам удалось уничтожить несколько танков и бронемашин, ликвидировать обер-лейтенанта и рядового фашиста, а также передать советским частям информацию о расположении вражеских огневых точек и минных полей. Полученная информация помогла красноармейцам освободить Новомосковск и окрестности 12 декабря 1941 года.
Чтобы в руки захватчикам не попали химические заводы, заблаговременно на Урал были эвакуированы крупные предприятия города – анилинокрасочный, азотно-туковый комбинат и завод № 100 Наркомата химической промышленности, а также ГРЭС, оборудование угольных шахт и весь паровозный и вагонный парк железной дороги. Оставшиеся цеха и оборудование пришлось взорвать. Позже на базе азотно-тукового завода, эвакуированного в Молотовскую область Пермского края, был построен Губахинский химический завод, который был запущен в 1955 году.
С началом войны в городе были обустроены госпитали, где врачи под угрозой жизни прятали от фашистов и лечили более 100 раненых красноармейцев.
После того как советским войскам удалось выбить фашистов, их взору предстал полностью разрушенный город – в нём были сожжены и уничтожены культурно-массовые учреждения, школы, больницы, дома. В руинах лежали основные цеха химкомбината и фенольного завода, ГРЭС, элеватор с зерном при станции Маклец, железнодорожный мост через реку Любовку, шамотный завод, подстанция района Мосэнерго. Было разграблено хозяйство трёх колхозов и взорваны три шахты.