Служил в 95 бомбардировочном авиаполку, который первым в ВВС Красной Армии начал перевооружаться на самолеты Пе-2 (с февраля 1941г.).

С первых дней войны полк действовал на Юго-Западном и Западном фронтах. К концу августа 1941г. потерял в боях все самолеты. Дмитрий Васильевич совершил 9 боевых вылетов. Полк был выведен в тыл и перевооружен на тяжелые истребители Пе-3. Стрелки-радисты полка направлены в другие части.

Весной 1942г. Дмитрий Васильевич зачислен в 125 бомбардировочный авиаполк. Командир полка- подполковник Ульяновский Сергей Алексеевич. Личный состав полка проходил обучение на самолет North American B-25 Mitchell.

С 01 августа 1942г. полк базировался на аэродроме Чкаловское (Московская обл.).

Старший сержант Петрунев был в составе экипажа: командир корабля старшина Лачин Василий Алексеевич, пилот сержант Осипов Николай Алексеевич, штурман старший сержант Новиков Василий Алексеевич, стрелок старший сержант Волк Федор Аксентьевич.

29 сентября 1942г. полк переведен в состав авиации дальнего действия, переименован в 125 авиаполк дальнего действия

22 октября 1942г. экипаж участвовал в бомбардировке аэродрома противника Сеща.

10 декабря- железнодорожного узла Сычевка.

В одном из воздушных боев стрелок-радист Петрунев сбил истребитель Ме-110 (Мессершмитт), в другом бою- подбил истребитель противника.

К 18 декабря 1942г. старший сержант Петрунев совершил на самолете В-25-С 1 боевой вылет днем  и 28- ночью, представлен к ордену Красной Звезды. Приказ о награждении от 12 марта 1943г.

Присвоено звание старшина.

28 марта 1943г. полку присвоено почетное наименование «гвардейский», полк преобразован в 15 гвардейский авиационный полк дальнего действия.

В конце апреля штурманом в экипаж назначен гвардии старший лейтенант Мордкович Абрам Вульфович. 

12 мая 1943г. экипаж участвовал в бомбардировке железнодорожного узла Варшава.

07 июня- аэродрома Сеща.

07 августа- железнодорожного узла Брянск.

К 18 августа гвардии старшина  Петрунев совершил еще 70 боевых ночных вылетов. Представлен к ордену  Отечественной войны I степени, приказом от 09 сентября 1943г. награжден орденом  Отечественной войны II степени.

14 сентября 1943г. экипаж на самолете №781 в составе 18 экипажей полка бомбардировал железнодорожную станцию Унеча , правый летчик старшина Рычков Александр Павлович

15 сентября 1943г. в составе 18 экипажей бомбардировал артиллерийскую группировку противника в районе Беззаботино.

17 сентября 1943г. в составе 19 экипажей- скопления войск противника в районе Балтутино. Вторым вылетом- войска в районе д.Ханино.

18 сентября 1943г. в составе 16 экипажей- войска противника в районе Староселье, Болтнево. В составе экипажа вторым стрелком гвардии старший сержант Иванов Михаил Степанович. Экипаж выполнял подсветку цели авибомбами САБ-100 и САБ-15.

19 сентября 1943г. налет на те же цели, экипаж- осветитель.

В ночь на 20 сентября 1943г. в составе 16 экипажей- бомбардировку войск в районе Демидов.

В ночь на 21 сентября 1943г. выполнял задачу осветителя при налете на войска противника в районе Груздево, Середники. Вторым вылетом- на бомбардировку войск противника в районе Путянинка, Панское.

В ночь на 22 сентября бомбардировали г.Рославль.

В ночь на 27 сентября экипаж-осветитель при налете на железнодорожный узел Гомель.

30 сентября 1943г. экипаж-осветитель при бомбардировке 14 самолетами железнодорожного узла Орша.

02 октября 1943г. экипаж-осветитель при бомбардировке 7 самолетами железнодорожного узла Орша.

В ночь на 05 октября экипаж произвел вылет по спецзаданию по выброске грузов для партизан.

В ночь на 06 октября в составе 20 экипажей бомбардировал скопление войск противника в районе Лиховка.

В ночь на 07 октября- вылет по спецзаданию по выброске грузов для партизан, длительность вылета 8 часов 01 минута. 

В ночь на 08 октября вылет по спецзаданию по выброске грузов для партизан, длительность вылета 7 часов.

09 октября 1943г. самолет В-25 №781 в 17-50 вылетел с аэродрома Кратово на выполнение спецзадания по выброске груза в глубоком тылу противника на точку №26а (в 50км. юго-восточнее г.Кобрин). В 22-20 экипаж по радио сообщил «задание не выполнил», после чего связь прекратилась.

Командир корабля гвардии младший лейтенант Лачин Василий Алексеевич, правый летчик старшина Рычков Александр Павлович, штурман гвардии старший лейтенант Мордкович Абрам Вульфович, стрелок радист гвардии старшина Петрунев Дмитрий Васильевич, стрелок гвардии старший сержант Волк Федор Аксентьевич с боевого задания не вернулся.

18 октября 1943г. в полк возвратился летчик гвардии старшина Рычков. С его слов установлено: прибыв к месту выброски груза, экипаж сигналов не обнаружил. Сделав несколько заходов, командир корабля принял решение идти на запасную цель- точку №60 (в 60км. юго-западнее г.Барановичи). Выйдя на запасную цель, экипаж сигналов также не обнаружил. Командир вернул корабль к точке №26а. Убедившись в отсутствии сигналов, принял решение возвращаться с грузом на свой аэродром. Израсходовав горючего больше расчетного, командир и штурман приняли решение возвращаться не по заданному маршруту, построенному с учетом минимального противодействия средств ПВО противника, а по прямой, через районы Пинск и Клин. В районе Витебск на высоте 2000м. самолет был атакован истребителем Ме-110 (Мессершмитт). В результата атаки у самолета был выведен из строя один мотор и поврежден второй. Теряя высоту, летчик сумел перетянуть через линию фронта. Сбросив груз в расположение наших войск, экипаж совершил вынужденную посадку на пересеченной местности. Самолет врезался в бугор. Командир корабля получил тяжелые ранения и был отправлен в госпиталь г.Смоленск. Летчик Рычков получил ушибы. Остальные члены экипажа погибли, похоронены на кладбище п.Лиозно, Витебская обл.