Служил в 24 скоростном бомбардировочном авиаполку. Участник Советско-финской войны. Выполнил 66 боевых вылетов на самолете СБ. Младший командир, приказом по 13 армии ВВС от 21 марта 1940г. награжден медалью «За отвагу».

На фронте с октября 1941г. по май 1942г. Выполнил 4 боевых ночных вылета на самолете ДБ-3Ф (Ил-4) на бомбардировку промышленных объектов г.Кенигсберг.

К июню 1943г. воздушный стрелок радист 511 отдельного разведывательного (командир полка- майор Бабанов Анатолий Александрович).

2-4 июня полк перебазировался на аэродром Воронеж и вошел в состав 5 воздушной армии.

19 июля 1943г. полк приступил к выполнению боевых задач по воздушной разведке с аэродрома Чернянка. Вел разведывательную работу в интересах войск Степного фронта. С 03 по 18 августа участвовал в Белгородской операции. На 15 августа полк дислоцировался на аэродроме Яблоново. Полк участвовал в Харьковской операции.

29 августа 1943г. на высоте 7500м. в районе Красноград экипаж в составе: лейтенант Завадский Владимир Георгиевич, летчик наблюдатель ст.лейтенант Саврацкий Афанасий Дмитриевич, стрелок-радист ст.сержант Филимонов Алексей Филимонович был атакован 9 истребителями Ме-109 (Мессершмитт). Атаки производились звеньями последовательно сверху-сзади. Командир экипажа умелым маневром уводил машину из-под огня. Стрелок-радист Филимонов огнем из пулеметов БС и авиационными гранатами АГ-2 сбил один истребитель, который, загоревшись, резко ушел вниз. Следом задымил второй истребитель и с правым разворотом пошел вниз. Экипаж благополучно вернулся на свой аэродром.

13 сентября 1943г. в районе Жемчужное на высоте 6500м экипаж командира звена лейтенанта Завадского был атакован 3 истребителями FW-190 (Фокке-Вульф). Атаки производились двумя самолетами сзади-сверху, третьим снизу в хвост. Летчик на повышенной скорости со снижением уходил от атак. Штурман Саврацкий огнем пулемета сбил один истребитель. Стрелок-радист Филимонов, ведя огонь, не позволил другим истребителям приблизиться для эффективной атаки, который были вынуждены с левым разворотом и снижением выйти из боя.

К 26 октября старший сержант Филимонов выполнил еще 22 боевых вылета (общее число- 91) на разведку войск противника, представлен к ордену Отечественной войны II степени (приказ о награждении от 18 нобря 1943г.)

Кроме сових обязанностей, помогал штурману вскрывать цели на территории противника. Своевременно передовал по радио координаты целей в штаб полка.

К 18 ноября 1943г. совершил 100 боевых вылетов. Представлен к ордену Красного Знамени (приказ о награждении от 01 февраля 1944г.)

08 марта 1944г. при неблагоприятных метеоусловиях экипаж в составе: ст.лейтенанта Завадского Владимира Георгиевича, штурмана лейтенанта Сапожников Валентин Павлович и стрелка-радиста Филимонова Алексея Филимоновича вылетел на выполнение задачи- установить отход войск противника из района Умань. Из-за низкой облачности разведка проводилась с высоты 100м. Было обнаружено 10 колонн техники, скопление пехоты в 4 населенных пунктах. По дороге Умань- Новоархангельск в четыре ряда двигалась колонна из 500 автомашин. Экипаж проштурмавал ее, открыв огонь из пулеметов. За выполнение поставленной задачи экипажу была объявлена благодарность командующего 5 воздушной армии.

В конце марта 1944г. командиром полка назначен подполковник Берман Семен Давидович.

К началу апреля 1944г. Алексей Филимонович выполнил 134 боевых вылета, участвовал в 20 воздушных боях, из которых 11- в одиночном полете. 2 апреля представлен к ордену Ленина, приказом от 25 апреля 1944г. награжден вторым орденом Красного Знамени.

31 мая экипаж в составе: заместитель командира авиаэскадрильи ст.лейтенант Завадский Владимир Георгиевич, штурман звена капитан Лядов Григорий Григорьевич и стрелок-радист Филимонов Алексей Филимонович после выполнения задания по разведки, на обратном маршруте, перелетев линию фронта в районе Блиндашть (14 км. северо-западнее Яссы) был атакован двумя парами истребителей Ме-109. После первой атаки самолет Пе-2 был подбит и загорелся. Попытки погасить пламя результата не принесли, экипаж был вынужден покинуть самолет на парашютах. Капитан Завадский (представлен к званию Герой Советского Союза 02 апреля 1944г.)  благополучно приземлился и вернулся в часть. Стрелок-радист Филимонов, получивший в воздушном бою осколочное ранение правой руки, при приземлении ушиб спину и правую ногу, отправлен на лечение в госпиталь. Капитан Лядов Григорий Григорьевич (представлен к званию Герой Советского Союза 02 апреля 1944г.), выбросившись на парашюте, был обстрелян истребителем противника, и погиб.

Всего ст.сержант Филимонов, назначенный начальником связи эскадрильи, выполнил 153 успешных боевых вылета. 15 мая 1945г. представлен к ордену Отечественной войны I степени, приказом от 16 июня 1945г. награжден орденом Славы III степени.