Участник Великой Отечественной войны. Первоначально осуществлял командование военными училищами. С апреля 1942 года — исполняющий должность коменданта 73-го укрепрайона. В июле этого же года — полковник Н. С. Самохвалов командовал 102-й стрелковой дивизией и находился в этой должности до конца августа. После расформирования дивизии находился в распоряжении командующего войсками Северной группы Закавказского фронта. В начале октября был назначен командиром 5-й гвардейской стрелковой бригады 10-го гвардейского стрелкового корпуса. В апреле 1943 года был отстранен от должности и зачислен в распоряжение Военного совета Северо-Кавказского фронта. В июле этого же года был назначен заместителем командира 32-й гвардейской стрелковой дивизии, входившей в состав 11-го гвардейского стрелкового корпуса 56-й армии. 24 марта 1944 года был назначен командиром 2-й гвардейской стрелковой Таманской Краснознаменной дивизии, входившей в 11-й гвардейский стрелковый корпус Отдельной Приморской армии. 12 февраля 1945 года генерал-майор Н. С. Самохвалов был переведен на должность командира 54-й стрелковой дивизии 71-го стрелкового корпуса 3-го Белорусского фронта; фактически ею не командовал и в том же месяце был назначен заместителем командира 71-го стрелкового корпуса. С 28 февраля был командиром 88-й стрелковой Витебской Краснознаменной дивизии.