Мирный и созидательный труд Усть-Катавского вагоностроительного завода (сегодня входит в состав Госкорпорации «Роскосмос») был прерван в 1941 году вероломным нападением фашистских захватчиков на Советский Союз. Во время Великой Отечественной войны в Усть-Катав были эвакуированы четыре предприятия: брянский завод «Арсенал», Мытищинский машиностроительный завод, сталинградский завод «Баррикады», вагоностроительный завод им. Егорова (Ленинград). Усть-Катавский поселок принимал не только промышленное оборудование заводов, но и население, эвакуированное из Брянска, Ленинграда, Сталинграда, подмосковных Мытищ.
Победа на фронте во многом зависела от тружеников тыла, обеспечивающих нужды фронта всем необходимым. Поэтому в годы войны завод полностью перестроился на выпуск продукции для фронта. В 1942 году предприятие фактически стало артиллерийским. Поселок Усть-Катавского завода Указом Президиума Верховного Совета РСФСР 28 августа 1942 года был преобразован в город районного подчинения. По заданию Государственного комитета обороны СССР Усть-Катавский вагоностроительный завод производил артиллерийские повозки для зенитных орудий и радиолокационных станций, батальонные минометы 82-го калибра, танковые пушки 76,2 мм и 85 мм для Т-34 и снаряды для «катюш». В годы войны на заводе широко было развито движение «Работа комсомольско-молодежных бригад». Лучшим из них присваивалось почетное звание фронтовых. Эти бригады выдавали рекордные нормы выработки продукции — до 200-300%, внося свой вклад в общее дело Победы.
За годы войны Усть-Катавский завод имени С. М. Кирова поставил Советской Армии 12 357 танковых пушек типа Ф-34 (калибр 76,2 мм) и ЗИС-С-53 (85 мм), 3 096 батальонных минометов (калибр 82 мм), 13 236 платформ для зенитных орудий. Выпускались также боеприпасы, авиабомбы, детали ракетных снарядов. Серийное производство пушек Ф-34 для легендарных танков Т-34 началось во второй половине 1942 года — первая партия была сдана военной приемке в октябре. Артиллерийского полигона в Усть-Катаве не было, но пушки перед сдачей требовалось обязательно испытывать. И поэтому стреляли прямо с территории завода в скалу над рекой Катав.
Предприятие выпускало лучшие орудия своего времени и своего класса. По своей эффективности в 1942 году танковая пушка Ф-34 превосходила почти все танковое вооружение вермахта. Орудия разрабатывались в конструкторских коллективах под руководством выдающегося советского конструктора В. Г. Грабина. Новая зенитная повозка ЗУ-13 и ее вариант на торсионной подвеске ЗУ-13Т разрабатывались с конца 1942 года по 1944 год под руководством инженера-конструктора А.П. Белострова. На каждом четвертом танке, построенном в 1942–1945 гг., было установлено орудие из Усть-Катава. Первые залпы легендарных «катюш» были сделаны снарядами, изготовленными устькатавцами. Первый артиллерийский салют в Москве 5 августа 1943 года в честь освобождения Орла и Белгорода проводился с лафетов, изготовленных на Усть-Катавском заводе.
В Великую Отечественную войну из Усть-Катава ушли на фронт 2 172 человека, из них погибли или пропали без вести 1 017 человек. Среди погибших жителей Усть-Катава — два Героя Советского Союза: военный лётчик, гвардии майор С.Ф. Кондрин и командир стрелкового отделения старший сержант Н. И. Феничев. Минёр-подрывник, командир партизанских бригад В. И. Клоков, удостоенный высокого звания Героя Советского Союза, вернулся с войны в родной город. Ещё два Героя Советского Союза — А. С. Головин и И. А. Кукарин из посёлка Вязовая, который в настоящее время входит в Усть-Катавский городской округ, также вернулись домой с фронта.
16 сентября 1945 года Указом Президиума Верховного Совета СССР за отличное выполнение заданий Государственного Комитета Обороны коллектив Усть-Катавского завода был награждён орденом Трудового Красного Знамени. За самоотверженный труд в годы войны около 130 работников завода были награждены орденами и медалями.
