Начало Великой Отечественной войны застает его на гастролях в авиагарнизоне под Брянском. Фатьянов пишет сатирические частушки, сценки, песни. Просит отправить его на фронт. Оказавшись в окружении, ансамбль трое суток прорывается к своим. Фатьянов ранен, после госпиталя направлен в войска Южно-Уральского округа. Весной 1942 он знакомится с композитором В. П. Соловьевым-Седым, в содружестве с которым пишет песни “Соловьи”, “Ничего не говорила”, “Давно мы дома не были”, “Где ж ты, мой сад?”, “Где же вы теперь, друзья-однополчане?”, “Наш город” (“Песня о Ленинграде”) и другие. Войну рядовой Фатьянов заканчивает в действующей армии, при взятии Сехешфехервара был ранен.
После войны поэт создает такие песни, как “В городском саду”, “Золотые огоньки”, “По мосткам тесовым...”, “Поет гармонь за Вологдой”, “Мы люди большого полета”. В эти годы начинается работа Фатьянова в кино. Он пишет песни к 20 фильмам, в т. ч. “Небесный тихоход” (“Перелетные птицы” и “Потому что мы пилоты”), “Большая жизнь” (“Три года ты мне снилась”), “Весна на Заречной улице” (“Когда весна придет”), “Без вести пропавший” (“Караваны птиц...”), “Дом, в котором я живу” (“Тишина за Рогожской заставою...”), “Иван Бровкин” (“Ромашка моя”). Он сотрудничает с лучшими отечественными композиторами, в т. ч. с Б. А. Мокроусовым, Ю. С. Бирюковым, Н. В. Богословским и др. Широкую известность получили песни Фатьянова к спектаклю “Свадьба с приданым” (“Хвастать, милая, не стану”, “На крылечке твоем”, “Зацветает степь лесами”).
В доме семьи Фатьяновых в Вязниках открыт Музей русской песни. Ежегодно с 1974 проводится Всероссийский песенный праздник “Соловьи, соловьи”. Союзом писателей России учреждена Фатьяновская литературная премия (с 1996).