Параллельно с испытательной работой Сергей Николаевич участвует в боевых действиях. Будучи командиром лётного отряда 19-й гвардейской воздушно-десантной бригады на Калининском фронте, в течение 1942-1943 гг. он совершил несколько вылетов в тыл врага к партизанам на планерах: доставлял боеприпасы, медикаменты, продукты.
Летчики Сергей Анохин и Юрий Желютов в апреле 1943 г. выполнили ставший единственным за весь период Великой Отечественный войны взлёт планера с партизанского аэродрома. Обычно планеры после выполнения задания уничтожались, а пилоты возвращались обратно на самолётах. Но в тот раз правило нарушили, потому что тяжело раненых партизан необходимо было срочно доставить в госпиталь. Ограниченные размеры аэродрома и предельная загрузка планера не помешали Сергею Николаевичу мастерски произвести взлёт на коротком тросе за самолётом СБ. Жизнь людей была спасена, и за этот подвиг Анохин получил свою первую боевую награду – орден Красного Знамени.
В июне 1943 г. Анохина по личному распоряжению члена Государственного Комитета Обороны Г.М.Маленкова откомандировали в Лётно-исследовательский институт для проведения испытаний самолёта «302» – одного из первых истребителей-перехватчиков с ЖРД. К сожалению, из-за того, что двигатель не был доведен, самолёт испытывали только в планерном варианте. В сентябре 1943 г. Сергей Николаевич перешел в ЛИИ на постоянную работу.
При проведении 5 октября 1943 г. испытаний самолета, снабженного турбокомпрессором для повышения высотности, в воздухе загорелся мотор. Сергей Николаевич посадил горящую машину на свой аэродром и уже на пробеге покинул кабину. Пожар был ликвидирован, опытный самолёт спасён.
Анохин выполняет 15 мая 1944 г. первый полёт самолёта Як-7Б с прямоточным воздушно-реактивным двигателем ДМ-4с и проводит его испытания.
Одновременно Сергей Николаевич участвует в лётных исследованиях по влиянию перегрузок на организм и работоспособность лётчика в полёте. Он выполняет ряд испытательных полётов на высотном самолёте-перехватчике Як-3ПД на высотах более 13000 метров, сложность которых заключалась в отсутствии герметичной кабины на этой машине.
В марте 1944 г. Анохину присвоена квалификация «лётчик-испытатель 3-го класса», в июле 1945 г. – «лётчик- испытатель 2-го класса».
Контрольные испытания истребителя Як-3 на прочность Анохин выполнял 17 мая 1945 г. Разрушение самолёта не предусматривалось, но и не исключалось. Надо было сделать двенадцать режимов с перегрузками. На третьем из них Сергей Николаевич не включил самописец. Получалось, что придется выполнить тринадцать режимов. Что ни говори, число «13» оправдало свою недобрую славу: на пятом режиме у самолета отломилось крыло. Лётчику стоило огромных усилий и самообладания сбросить фонарь и выпрыгнуть с парашютом из беспорядочно падающего самолёта.
Исследования на перегрузки (1944 г.)
ЛЛ-1
Як-19
Як-25
Як-30
УТИ Як-23
Як-50
Як-20
В результате аварии Сергей Николаевич Анохин получил тяжёлые ранения и потерял левый глаз. Через два месяца после выхода из госпиталя он должен был решить, как жить дальше. Ответ однозначен: только летать! И начались долгие месяцы усиленных тренировок. Анохин использовал самые разнообразные способы разработки глубинного зрения, и его усилия оказались не напрасны. Уже в декабре 1945 г. Сергей Николаевич возвращается к лётно-испытательной работе, причем сразу же его допускают к участию в самых сложных и ответственных заданиях.
В 1947-1948 гг. совместно с С.Амет-Ханом и Н.С.Рыбко Анохин проводит испытания летающих лабораторий ЛЛ-1 (с прямым крылом) и ЛЛ-2 (с крылом обратной стреловидности в 30°) конструкции П.В.Цыбина. Эти летающие лаборатории буксировались на высоту, а после расцепки переводились в пикирование (угол равнялся 45°) с включением порохового двигателя (на 15 секунд). Для изменения центровки применялись заполняемые водой баки в фюзеляже ЛЛ. В полётах на ЛЛ-2 была достигнута максимальная скорость М=0,87. Эти испытания позволили получить большой экспериментальный материал по измерению аэродинамических характеристик, распределению давления по крылу и оперению на околозвуковых скоростях. В полётах также проводилось исследование перемещения скачков уплотнения по крылу.
В августе 1947 г. Анохину присвоена квалификация «лётчик-испытатель 1-го класса», а в 1949 г. – звание полковника.
В 1947 г. Сергей Николаевич начинает работать в ОКБ А.С.Яковлева. Он совершает первые полеты и проводит испытания следующих машин: 2-го экземпляра Як-19 (6 июня 1947 г.), Як-25 (2 ноября 1947 г.), Як-30 (8 сентября 1948 г.), ЯК-23УТИ (29 марта 1949 г.), Як-50 (9 августа 1949 г.), 2-го экземпляра Як-20 (20 апреля 1950 г.). На самолёте Як-50 Анохиным была достигнута 22 марта 1950 г. рекордная в стране скорость у земли – 1170 км/час (М=0,98).
В тот же период Анохин проводит испытания 2-го и 3- го экземпляров МиГ-15 (1948 г.), а также Су-15 (1949 г.). Во время полета на Су-15, который состоялся 3 июня 1949 г., ему пришлось покинуть самолёт из-за возникших вибраций. Катапульта не сработала, и лётчик принял решение вручную сбрасывать фонарь кабины. Когда это не удалось, Сергей Николаевич, проявив завидную выдержку и хладнокровие, выбрался из кабины в образовавшееся пространство между фонарём и бортом самолёта, а затем воспользовался парашютом.
Летом 1949 г. Анохин провёл скоростные рулёжки первого отечественного сверхзвукового (по расчётам) самолёта Су-17, имевшего индекс « Р». Ввиду закрытия ОКБ П.О.Сухого работы по этому самолёту прекратились.
Анохин принимал участие в испытаниях самолётов Су- 11 (1947 г.), Як-16 (1947 г.), И-215 (1948 г.), Ла-174 (1948 г.), И-320 под индексом «Р-2» (1950 г.), Як-11У (1951 г.), Як-18У (1951 г.).
В 1951 г. Сергей Николаевич участвовал в испытаниях уникальной системы «Бурлаки», которая была разработана с целью увеличения дальности полёта истребителей, используемых для сопровождения стратегических бомбардировщиков. Пилот МиГ-15бис в воздухе производил сцепку со специальным тросом, который выпускал Ту-4, затем выключал двигатель и продолжал полёт в безмоторном режиме. В феврале 1951 г. Сергея Николаевича представили к награждению званием Героя Советского Союза, однако представление не было реализовано.
В 1951-1953 гг. совместно с С.Амет-Ханом, Ф.И.Бурцевым и В.Г.Павловым Сергей Николаевич проводит испытания пилотируемого аналога самолёта-снаряда КС («Ко- мета-3»). Самолёт-аналог (его назвали К) был предназначен для отработки самолёта-снаряда КС типа «воздух- корабль» в пилотируемом режиме. Аналог подвешивался под самолёт-носитель Ту-4КС, который набирал 3000 метров и на этой высоте отцеплял самолёт-аналог. После отцепки автоматика включала двигатель, и самолёт-снаряд летел на цель. Лётчик должен был контролировать работу автоматической системы, а в случае её отказа переключить управление на себя. При подходе к цели автоматика выключалась, и самолёт-снаряд приземлялся на аэродром. За проведение этих испытаний Сергей Николаевич 3 февраля 1953 г. получил звезду Героя Советского Союза и был удостоен Сталинской премии 2-й степени (позже переименованной в Государственную премию СССР).