В 1937 году этот момент настал. После воздушного парада над Красной площадью его участников, среди которых был и Фёдоров, пригласили в Кремль. Пользуясь случаем, 12 самых опытных лётчиков решили проситься в Испанию, где уже шла война. Своим представителем и ходатаем лётчики выдвинули Ивана, который, увидев Ворошилова, обратился прямо к нему. Нарком, посоветовавшись со Сталиным, дал «добро». 17 июня в испанском небе Иван Фёдоров одержал свою первую победу. По сигналу тревоги он взлетел на перехват группы франкистских бомбардировщиков, которых прикрывали новейшие немецкие истребители «Мессершмитт-109» из легиона «Кондор». Уже в воздухе лётчик заметил, что вылетел без парашюта. Храбрец врезался в группу вражеских самолётов и, сманеврировав, длинной очередью сбил Ме-109. Несмотря на то что воздушные бои велись при численном превосходстве авиации генерала Франко, которого весьма активно поддерживали немцы и итальянцы, пилоты-интернационалисты на И-16 «завалили» немало врагов. Сам Фёдоров получил от испанцев кличку «дьяболе рохо» (т. е. «красный дьявол») и личную благодарность в виде поцелуя от Долорес Ибаррури за мастерство и бесстрашие в небе. В личном деле за номером 8803 значится, что за время пребывания в Испании Фёдоров «совершил 286 боевых вылетов, провёл 36 воздушных боёв, в которых показал исключительные образцы воздушного боя». Сбил 24 самолёта противника (11 лично и 13 в группе). Совершил два тарана. Помимо награждения двумя орденами Красного Знамени Фёдоров в числе других отличившихся в боях был представлен к званию Героя Советского Союза. Однако всё испортила потасовка на торжественном банкете в Москве между танкистами и лётчиками, поспорившими о важности роли родов войск, в которой Иван Евграфович принял активное участие.
После Испании Фёдорова направили сначала в Китай, а затем на Халхин-Гол. «Японские лётчики были достойными противниками. Летали они на неплохих для того времени истребителях И-96 и показали себя смелыми и бесстрашными бойцами», — вспоминал он позднее. Фёдоров добавил к своему счёту ещё 8 сбитых противников.
Вскоре после начала Великой Отечественной войны Фёдоров написал командующему ВВС РККА рапорт с просьбой направить на фронт. Просьбу удовлетворили в ином смысле: Иван Евграфович, имевший за плечами солидный опыт в испытаниях самолётов, был направлен в Горький на завод № 21 в качестве ведущего пилота. Скрепя сердце наш герой облётывал новые ЛаГГ-3, которые затем переправлялись прямиком на фронт. Все рапорты, которые он слал директору завода и командованию ВВС, оставались без ответа. Чтобы вынудить начальство снять его с испытательной работы, Фёдоров решился на отчаянный шаг: в конце июля он сделал на новом истребителе три «мёртвые петли», заканчивающиеся под мостом через Оку. Охрана моста открыла огонь по хулигану. Дело могло кончиться трибуналом, и лётчик принял решение лететь в сторону фронта. Попрощавшись по радио с друзьями, он взял курс на запад. 3-я воздушная армия генерала Громова была конечным пунктом его маршрута.
В подмосковном Монине Фёдоров приземлился для дозаправки. Ему повезло: на аэродроме ещё не знали об «угоне» и, заправившись без проблем, Иван полетел в направлении Калинина. Отыскав крупный аэродром с командным пунктом, зашёл на посадку. К самолёту сбежались любопытные, подъехал и сам Михаил Громов на личном «кадиллаке», подаренном ему ещё в 1937-м президентом Рузвельтом за беспосадочный перелёт Москва — Калифорния через Северный полюс. «Товарищ генерал! Лётчик-испытатель майор Фёдоров прибыл к вам для прохождения фронтовой практики!» — отрапортовал Иван. Тем временем над аэродромом был замечен вражеский разведчик Хе-111. Получив разрешение испытать «новый самолёт в боевых условиях», Фёдоров пошёл на взлёт. Бой был коротким. На глазах у всех он атаковал и сбил немца. Громов поздравил майора: «Будем считать, что ваша фронтовая практика началась».
В августе 1942 года в составе 3-й воздушной армии, воевавшей на Калининском фронте, был сформирован полк лётчиков-штрафников. На этот беспрецедентный шаг командование фронта пошло с целью нивелировать господство в воздухе немецкой авиации. Здесь действовала группа немецких асов, машины которых были разрисованы игральными картами всех мастей, за что наши лётчики прозвали их «картёжниками». Потери советская авиация несла от них довольно ощутимые. Командующий 3-й воздушной армией генерал Громов предложил маршалу Коневу создать специальную группу из опытных лётчиков, которым за различные провинности грозил штрафной батальон и которые любой ценой должны будут ликвидировать «картёжников» и прикрыть от бомбёжек наши войска.