В 1938 году в результате реорганизации воинской части Гастелло оказался в 1‑м тяжелобомбардировочном авиационном полку. В мае 1939 года он стал командиром звена, а через год с небольшим – заместителем командира эскадрильи. В 1939 году участвовал в боях при Халхин-Голе (Монголия) в составе 150‑го скоростного бомбардировочного авиационного полка, которому была придана его эскадрилья. Участвовал в советско-финской войне 1939–1940 годов.
Осенью 1940 года его авиационная часть перебазируется в город Великие Луки, а затем – в авиагородок Боровское под Смоленском.
В 1940 году Гастелло присвоено звание капитана. Весной 1941 года он прошел переподготовку и освоил самолет ДБ‑3ф (Ил‑4).
С 24 мая 1941 года Гастелло – командир эскадрильи.
Для капитана Гастелло война началась 22 июня 1941 года в 5 часов утра. Вылетев со своего аэродрома в районе Смоленска, самолеты пошли на запад на бомбежку гитлеровских войск. На третий день войны, когда экипажи на стоянках самолетов изучали боевое задание, над аэродромом появился немецкий разведчик «Юнкерс‑88». Выпустив шасси, будто собирается сесть, он промчался на малой высоте и обстрелял советские бомбардировщики. Уверенный в своей безнаказанности, фашист решил повторить заход. Но просчитался. Николай Гастелло под пулями бросился в кабину своего самолета и метким огнем из крупнокалиберного пулемета подбил гитлеровца. Перепуганный экипаж совершил вынужденную посадку неподалеку от аэродрома и был взят в плен.
26 июня 1941 года экипаж под командованием капитана Н. Ф. Гастелло в составе лейтенанта А. А. Бурденюка, лейтенанта Г. Н. Скоробогатого и старшего сержанта А. А. Калинина на самолете ДБ‑3ф вылетел для нанесения бомбового удара по немецкой механизированной колонне на белорусской дороге Молодечно – Радошковичи в составе звена из двух бомбардировщиков. Огнем немецкой зенитной артиллерии самолет был подбит. Вражеский снаряд повредил топливный бак, и Гастелло совершил огненный таран – направил горящую машину на механизированную колонну врага. Все члены экипажа погибли.
Через день газета авиационной части, в которой служил герой, сообщала: «На землю сверкающей ракетой падал смертельно раненный самолет Гастелло. Он направил свой гибнущий, превращенный в огненный факел самолет в самый центр скопления вражеских танков. Огромное пламя охватило все кругом… Какую же надо иметь силу воли, чтобы в предсмертное мгновение оказаться достойным такого подвига… Так до последней минуты, не выпуская из полусожженных рук рычаги управления, с честью выполнил товарищ Гастелло ту самую клятву, которую когда-то он дал перед лицом любимой страны – своей Родины».
Героический подвиг совершил командир эскадрильи капитан Гастелло. Снаряд вражеской зенитки попал в бензиновый бак его самолета. Бесстрашный командир направил охваченный пламенем самолет на скопление автомашин и бензиновых цистерн противника. Десятки германских машин и цистерн взорвались вместе с самолетом героя.
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 26 июля 1941 года Н. Ф. Гастелло было посмертно присвоено звание Героя Советского Союза.
Гастелло повторил подвиг военкома 150‑го скоростного бомбардировочного авиационного полка М. А. Ююкина, совершенный на глазах Николая в Монголии в августе 1939 года.
На месте подвига экипажа Гастелло в Белоруссии, близ Радошковичей на шоссе Минск – Вильнюс, был установлен памятник-мемориал погибшему экипажу. Его имя носят улицы в Москве (бывшая 3‑я Сокольническая улица) и во многих других городах России, поселки в Магаданской и Сахалинской областях.
Знаменитый «огненный таран». Советский плакат
В 22 часа 7 минут 21 июля 1941 года начался первый налет вражеской авиации на Москву. Около 250 тяжелых бомбардировщиков эскадрильи «Легион Кондор» пытались прорваться к столице, но в большинстве своем были рассеяны на подступах к городу. Было сбито 22 самолета. Налет продолжался пять с половиной часов. Одна фугасная бомба попала в Кремль, пробила перекрытие Георгиевского зала Большого Кремлевского дворца, но по счастливой случайности не взорвалась. Два дня спустя бомба весом полтонны с немецкого самолета упала на здание Театра им. Евг. Вахтангова и разрушила его. Бомбардировки стали повторяться почти ежедневно с немецкой педантичностью…