[3] Cuando estalló la Gran Guerra Patria, Popova, cuyo hermano Leonid había muerto en el frente y cuya casa familiar había sido requisada por las tropas alemanas, se presentó voluntaria como piloto militar, pero fue inicialmente rechazada porque el mando excluía a las mujeres de misiones de combate.[5] Era frecuente que atacaran en parejas, un avión detrás del otro, de modo que el primero concentraba el fuego de la defensa antiaérea y el segundo podía esquivarla, con el motor parado para planear en silencio hasta descargar sus bombas.[6] En 1942 Popova participó en una misión de socorro, volando a través del fuego enemigo sobre Novorosíisk para lanzar alimentos, agua y suministros médicos a las tropas del Ejército Rojo atrapadas en Málaya Zemlia.[6] Popova fue derribada varias veces en los tres años que pasó volando, pero nunca resultó herida de consideración.Aunque no podía verle la cara, oculta por las vendas, Nadia se enamoró de quien más tarde sería su marido.En los cielos polacos Popova alcanzó su récord de dieciocho salidas en una sola noche.Tras escribir sus nombres en las ruinas del Reichstag,[6] ambos contrajeron matrimonio y permanecieron unidos hasta el fallecimiento de Semión en 1990.[3] Popova se retiró del Ejército Rojo en 1952, con el grado de mayor.
