Служил в составе 63 скоростного бомбардировочного авиаполка 4 смешанной авиадивизии. Полк имел на вооружении самолеты СБ.

С 23 июня 1941г. экипажи полка воевали в Прибалтике и на Северо-Западном фронте.

Штурман лейтенант Федоров летал в составе экипажей самолета СБ: летчик старший лейтенант Здесенко Ефим Васильевич, стрелок-радист Ножов.

14 августа 9 самолетов СБ под прикрытием пятерки МиГ-3 бомбардировали колонну противника на дороге Шимск- Борки. На обратном маршруте в районе оз.Ильмень были дважды атакованы пятью истребителями Ме-109 (Мессершмитт). В воздушном бою у пос.Крестцы (Новгородская обл.) были сбиты 5 самолетов СБ, среди них экипаж: командир звена политрук Волков Николай Сергеевич и лейтенант Федоров. Сергей Ильич выбросился на парашюте, летчик погиб.

В составе полка совершил 39 боевых вылетов, 11 из которых- ночные.

22 августа 1941г. полк передал оставшиеся самолеты 55 скоростному бомбардировочному полку. Личный состав убыл для переучивания на новую материальную часть.

С 11 сентября Сергей Ильич  находился на переподготовке в «ночном центре».

В январе 1942г. штурман 2 авиаэскадрильи 625 легкого бомбардировочного авиаполка. Полк имел на вооружении самолеты СБ. Воевал на Брянском фронте.

06 февраля 1942г. Сергей Ильич бомбил оборону противника в районе Фроловка. 

22 февраля- в районе Верхняя Сосна.

03 марта совершил 2 ночных вылета на бомбардировку Мало-Архангельска.

04 марта- 2 ночных вылета на бомбардировку Богодухова и станции Змеевка.

Совершил 10 боевых вылетов, 7 из которых- ночные.

Лейтенант Федоров был представлен к ордену Красного Знамени. Приказом от 20 апреля 1942г. награжден орденом Красной Звезды.

К лету 1942г. полк переформирован в штурмовой авиаполк, имевший на вооружении одноместную модификацию самолетов Ил-2. Штурманы полка бели направлены в другие части.

Сергей Ильич был направлен в состав 4 дальнего разведывательного авиационного полка. В январе 1943г. командование полком принял подполковник Артемьев Борис Павлович.

К марту 1943г. Сергей Ильич в составе 1-й авиаэскадрильи полка. Командир эскадрильи- капитан Плитка Григорий Саввич. Оперативная группа полка а составе 1 авиаэскадрильи базировалась на аэродроме Курск-центральный.

15 марта 1943г. экипаж самолета Пе-2 №5: летчик старший лейтенант Шурыгин Иван Иванович, штурман старший лейтенант Федоров Сергей Ильич, воздушный стрелок-радист старшина Русанов Павел Матвеевич- выполнил разведку в районе Середина Буда- Ямполь- Шостка.

17 марта экипаж Шурыгин, Федоров, Русанов выполнил разведку в районах Шостка- Новгород-Северский- Почеп- Брянск. Из Почепа и Брянска обстрелян зенитной артиллерией.

12 апреля 1943г. экипаж самолета Пе-2 №54: летчик старшина Малышев Федор Кузьмич, штурман старший лейтенант Федоров Сергей Ильич, воздушный стрелок-радист сержант Громков Николай Степанович- совершил разведку погоды в районах Севск- Глухов- Кролевец- Комаричи- Ворожба.

13 апреля экипаж Малышев, Федоров, Громков выполнил разведку войск противника в районах Севск- Суземка- Комаричи.

14 апреля экипаж самолета Пе-2 №6: летчик старший лейтенант Галимон Степан Игнатьевич, штурман старший лейтенант Федоров Сергей Ильич, воздушный стрелок-радист младший лейтенант Воробьев Михаил Никифорович- выполнил разведку по маршруту Курск- Щорс- Гомель. В районе Рыльска был атакован 4 истребителями Ме-109 (Мессершмитт). Уходя от преследования, израсходовал горючее и совершил вынужденную посадку у д.Червона Дубровка. Экипаж невредим, самолет получил 4 повреждения.

20 апреля экипаж Малышев, Федоров, Громков выполнил разведку войск противника в районах Крупец- Глухоа- Кролевец- Конотоп- Путивль- Ворожба. Из Ворожбы обстрелян зенитной артиллерией.

22 апреля экипаж самолета Пе-2 №32: летчик старшина  Вешников Владимир Пантелеевич, штурман старший лейтенант Федоров Сергей Ильич, воздушный стрелок-радист сержант Руденко Степан Алексеевич- выполнил разведку в районах Хутор Михайловский- Середина Буда- Суземка- Навля- Дмитровск-Орловский.

23 апреля экипаж Малышев, Федоров, Громков в 14-06 вылетел под прикрытием четверки истребителей на маршрутное фотографирование района Кромы- Орел. Группа была встречена истребителями противника. Наши истребители вступили в бой, передав по радио: «Пешка, уходи домой!».

Экипаж: старшина Малышев Федор Кузьмич, старший лейтенант Федоров Сергей Ильич, сержант Громков Николай Степанович с задания не вернулся. Летчик Малышев в тот же день был взят в плен. Судьба штурмана и стрелка-радиста неизвестна.