В ноябре 1940г. направлен в формировавшийся 227 ближний бомбардировочный авиаполк.

К июню 1941г. полк имел на вооружении 61 самолет СУ-2, базировался на аэродроме Бородянка (под Киевом).

Стрелок-бомбардир звена лейтенант Пономарев входил в экипаж командира звена младшего лейтенанта Хлебодарова Василия Михайловича.

27 июня 1941г. полк перебазировался на аэродром Баскаки. 28 июня полк приступил к боевой работе- бомбардировал мотомехчасти противника на дороге Мизоч- Оструг. Произвел 37 самолетовылетов.

30 июня полк вел разведку и бомбардировал войска противника в районах Дубно, Бушаны, Гоща.

01 августа 1941г. оставшиеся самолеты и часть личного состава 227 и 226 ближнебомбардировочных авиаполков была передана в состав 52 ближнего бомбардировочного авиаполка.

Полк состоял из 3 авиаэскадрилий и имел на вооружении 17 самолетов СУ-2.

13 сентября 1941г., базируясь на аэродроме Варва, полк был окружен. На 10 самолетах 30 человек летно-технического состава перелетел из окружения на аэродром Каменная Яруга. Остальной личный состав полка полтора месяца с боями выходил из окружения.

01 октября полк получил пополнение личным составом и материальной частью. Реорганизован в 2 эскадрильный состав. Был переброшен на Южный фронт, участвовал в боях за Донбасс. 

К 03 ноября 1941г. экипаж Хлебодаров- Пономарев совершил 73 боевых вылета.

В воздушном бою под Житомиром подбил истребитель Ме-109 (Мессершмитт). В июле-августе сбил 2 истребителя Ме-109. Экипаж был 15 раз подбит, но всегда выполнял боевые задания. Трижды представлялся к правительственной награде.

03 ноября 1941г. лейтенант Пономарев и младший лейтенант Хлебодаров были представлены к присвоению звания Герой Советского Союза. Приказом от 06 ноября 1941г. награждены орденами Красного Знамени.

В ноябре 1941г. полк участвовал в разгроме группировки Клейста под Ростовом.

В июне 1942г. полк участвовал в боевых действиях на Харьковском направлении.

К концу июня 1942г. старший лейтенант Пономарев совершил 131 боевой вылет.

Был представлен к ордену Ленина, приказом по Сталинградскому фронту от 31 июля 1942г. был награжден вторым орденами Красного Знамени. 

На самолете СУ-2 совершил 154 успешных боевых вылета, 73 из них- на Сталинградском фронте.

Награжден медалью «За оборону Сталинграда».

К концу 1942г. полк был расформирован.

Николай Иванович служил в 10 гвардейском авиаполку.

К июню 1943г. в составе 8 отдельного разведывательного авиаполка.

Вел разведку в районах Таганрог, Мариуполь, Осипенко, Сиваш и Перекопский перешеек.

В 1944г. штурман 2 авиаэскадрильи.. Командир эскадрильи- капитан Балашов Василий Дмитриевич.

К 10 апреля 1944г. гвардии капитан Пономарев выполнил 17 успешных разведывательных вылетов.

Приказом от 29 апреля 1944г. награжден орденом Отечественной войны I степени.

Вел разведку в Карпатах.

В апреле 1945г. сфотографировал оборонительные сооружения противника на р.Одер от Ратибор до Моравска-Острава.

В составе полка на самолете Пе-2 совершил 61 боевой вылет на разведку.

Был представлен к званию Герой Советского Союза, представление поддержал командующим 4 Украинским фронтом генерал армии Еременко Андрей Иванович. Приказом от 02 декабря 1945г. гвардии капитан Пономарев был награжден орденом Александра Невского.

Награжден медалями «За освобождении Праги», «За победу над Германией в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг.».

В ноябре 1945г. за долголетнюю и безупречную службу был награжден медалью «За боевые заслуги», в 1950г.- орденом Красной Звезды, в 1955г.- третьим орденом Красного Знамени.

Майор Пономарев был уволен в запас 18 мая 1954г.

В честь 40-летия Победы награжден орденом Отечественной войны II степени.