В начале войны Алексей Иванович Семёнов был назначен на должность начальника штаба 12-й стрелковой дивизии (2-я Краснознамённая армия, Дальневосточный фронт), в августе 1941 года — на должность начальника штаба 307-й стрелковой дивизии (13-я армия, Брянский фронт), которая вскоре приняла участие в ходе Орловско-Брянской оборонительной операции, затем, ведя тяжёлые бои в условиях окружения, отступала на тульском направлении, а в декабре приняла участие в контрнаступлении под Москвой.

В феврале 1942 года Семёнов был назначен на должность командира 1-й стрелковой дивизии, которая принимала участие в ходе в Сталинградской битвы и успешно вела оборонительные бои на левом берегу Дона на рубеже населённых пунктов Калитва — Верхний Мамон — Сухой Донец, а затем контрнаступления советских войск дивизия освободила город Богучар, а в январе 1943 года — город Миллерово. За проявленные отвагу, стойкость, мужество личного состава 1-я стрелковая дивизия была преобразована в 58-ю гвардейскую, а Алексей Иванович Семёнов был награждён орденом Суворова 2 степени.

В июле 1943 года был назначен на должность командира 33-го стрелкового корпуса, который принимал участие в ходе Уманско-Ботошанской, Ясско-Кишиневской, Дебреценской, Будапештской и Венской наступательных операций, а также в освобождении городов Фокшаны, Плоешти, Орая, Сату-Маре, Мишкольц, Будапешт, Залаэгеусег и Фридберг. За отличия при освобождении Трансильвании 33-й стрелковый корпус получил почётное наименование «Трансильванский». За умелое руководство корпусом в ходе операций на территории Венгрии и Австрии и проявленные при этом высокие боевые качества генерал-лейтенант Алексей Иванович Семёнов был награждён орденом Кутузова 2 степени.

Награды:
Два ордена Ленина;
Пять орденов Красного Знамени;
Орден Суворова 2 степени;
Орден Кутузова 2 степени;
Орден Красной Звезды;
Медали;
Иностранные награды:
Командор Ордена Британской Империи (Великобритания, 1944)