В сентябре 1941 года назначен заместителем начальника Особого отдела НКВД Западного фронта. С января 1942-го – начальник Особого отдела НКВД Северо-Западного фронта, затем Северо-Кавказского и Брянского фронтов.

С апреля 1943 года – начальник УКР Смерш Степного военного округа и 1-го Украинского фронта. В октябре 1946-го назначен начальником УКР МГБ Центральной группы войск. С июня 1947 года – начальник Управления КР МГБ ГСОВГ. С ноября 1947-го – начальник 3-го Главного управления МГБ СССР.

31 декабря 1950 года был назначен заместителем министра госбезопасности СССР по милиции.

В августе 1951 года снят с работы и в ноябре того же года арестован. Освобожден в декабре 1953-го. В 1954-м уволен из органов по фактам, дискредитирующим звание начсостава органов госбезопасности, и лишен генеральского звания.

В сентябре 1941 года Н. А. Королев был назначен заместителем начальника Управления особых отделов НКВД Западного фронта (ЗФ). До 30 июня 1941 года им командовал генерал армии Д. Г. Павлов, который был отстранен от командования и 4 июля арестован. Всю вину за поражение войск нарком обороны СССР возложил на командование фронта. После непродолжительного следствия Павлова с группой других генералов приговорили к расстрелу.

2 июля новым командующим фронта был назначен нарком обороны СССР маршал А. И. Тимошенко, его сменяли генерал-лейтенант А. И. Еременко, генерал-полковник И. С. Конев, генерал армии Г. К. Жуков. Это был самый ответственный фронт, так как неприятельская группа армий «Центр» была нацелена на взятие Москвы. После тяжелого поражения дивизий РККА в Смоленском сражении для противника открывалась прямая дорога к советской столице. Спас город Третий Стратегический эшелон фронта Резервных армий. 24 июля Западный фронт разделили, сформировав Центральный и Брянский фронты. Однако 30 июля 1941 года вновь появился Западный фронт под командованием сначала А. И. Тимошенко, а потом И. С. Конева и, наконец, Г. К. Жукова. Под командованием последнего войска ЗФ в январе 1942 года перешли в решительное наступление. Немца отбросили от Москвы на 100–200 километров.

В непрекращающихся боях погибли сотни тысяч солдат и командиров РККА. Черное крыло смерти не обошло и военных контрразведчиков. Н. А. Королеву приходилось мотаться по частям и соединениям, выполняя оперативные поручения своего руководства и командования. Армейским чекистам теперь нужно было действовать в боевой обстановке, перестраиваясь, как говорится, на ходу. Опыт набирался под огнем невиданной доселе войны. По данным германских источников, в ходе боев с 9 июля по 16 ноября 1941 года советские войска потеряли пленными 2 млн 465 тыс. человек. Этот контингент спецслужбы активно использовали в подрывной деятельности против Красной армии. Армейские чекисты, несмотря на участие с оружием в руках в боевых порядках войск, продолжали заниматься своей рутинной работой – разработкой агентуры противника. Появились успехи – подразделениями Особого отдела ЗФ были разоблачены сотни агентов абвера и других спецслужб фашистской Германии, массово забрасываемых в тыл Красной армии. А обстановка была сложная. Так, в одной из телефонограмм Особого отдела ЗФ о прорыве противника в районе Бородино от 15 октября 1941 года говорилось: