После окончания института молодого инженера-теплосетевика призвали в армию и зачислили курсантом в Читинское бронетанковое училище, а вскоре доверили командовать взводом. Но он предпочел остаться политруком роты. Здесь было спокойнее.
После окончания армейской службы Брежнев опять вернулся в Каменское на должность директора техникума. Так бы и сидеть ему там до скончания дней. Но по стране волной катились репрессии 1937 г. Ощущалась острая нехватка свежих партийных кадров взамен репрессированных.
Уже в мае 1937 г. молодого, общительного и неконфликтного Брежнева, аккуратно исполняющего свои обязанности, назначили заместителем председателя Днепродзержинского горисполкома. Год спустя он возглавил отдел советской торговли Днепропетровского обкома КП(б)У, а в феврале стал секретарем обкома по пропаганде. На этой должности Брежнев занимался организацией массового изучения населением сталинского «Краткого курса истории ВКП(б)».
4 апреля 1940 г. бывший в то время первым секретарем ЦК КП(б)У Н. С. Хрущев подписал постановление об утверждении Л. И. Брежнева членом бюро обкома, а 26 сентября – об утверждении его третьим секретарем обкома. В его обязанности входили вопросы оборонной промышленности Днепропетровщины.
Когда началась война, Леонид Ильич занимался мобилизацией населения в Красную армию и эвакуацией промышленности. Имея военную специальность, он сам попросился в действующую армию и в середине июня 1941 г. отбыл на Южный фронт в качестве заместителя начальника Политуправления в звании бригадного комиссара. По тем временам чин этот считался довольно высоким.
О поведении Брежнева на фронте, несмотря на позднейшее возвеличивание его военных заслуг и звание маршала, присвоенное спустя 30 лет после войны, известно немного. Личной храбростью он явно не отличался.
Наряду с другими за участие в Барвенково-Лозовской операции Леонид Ильич был награжден орденом Красного Знамени – первым среди его многочисленной коллекции и одним из немногих действительно заслуженных. Кроме этого, в военный период им были получены еще один орден Красного Знамени, орден Красной Звезды и орден Богдана Хмельницкого, введенный в 1943 г. по предложению Хрущева для участников боевых действий на Украине, а также медаль «За оборону Кавказа». Это количество значительно уступало наградам многих других равных ему по рангу и прошедших всю войну офицеров.
В начале 1943 г., когда в армии вводились новые единые звания, бригадный комиссар Брежнев получил новое звание полковника. Одновременно его понизили в должности и сделали начальником политотдела 18-й армии. В этом чине он провел всю оставшуюся часть войны и в работе Военного совета армии, вопреки утверждениям официальной биографии, участия не принимал. В его функции входила организация работы партийных и комсомольских организаций, агитационно-пропагандистская работа, прием новых членов партии, армейская газета, подготовка наградных документов и т. п.
С выполнением этих функций было связано и пресловутое участие в боях на Малой Земле, изложенное в приписываемых Брежневу мемуарах. Малая Земля – небольшой плацдарм южнее Новороссийска в районе Мысхако – была изолирована фашистами. 15 тыс. бойцов с танками и артиллерией обороняли ее в течение 225 дней, до начала Новороссийско-Таманской наступательной операции. Все это время штаб 18-й армии и ее политотдел находились на Большой земле в относительной безопасности. Впрочем, редкие поездки на плацдарм были сопряжены с определенным риском. По воспоминаниям военного корреспондента С. А. Борзенко, «…однажды сейнер, на котором плыл Брежнев, напоролся на мину, полковника выбросило в море, и там его в бессознательном состоянии подобрали матросы». Во времена же правления Брежнева муссировалась версия, что он сам сумел выплыть и даже вытащил одного из матросов. О присутствии Брежнева на Малой Земле малоземельцы узнали только из одноименной книги, в которой многое в их быте искажено.
Суть военных подвигов Брежнева отражает отзыв полкового комиссара ПУ РККА Верхорубова, который, проверяя работу политуправления 18-й армии, написал о его начальнике: «Черновой работы чурается. Военные знания тов. Брежнева – весьма слабые. Многие вопросы решает как хозяйственник, а не как политработник. К людям относится не одинаково ровно, склонен иметь любимчиков».
Победу генерал-майор встретил в Праге и через несколько дней после окончания войны стал начальником Политуправления 4-го Украинского фронта, который летом того же года был передислоцирован в Западную Украину и преобразован в Закарпатский военный округ. Долго Леонид Ильич здесь не задержался. В августе 1946 г. он был направлен в распоряжение ЦК КП(б) Украины, первым секретарем которого был в то время Н. С. Хрущев. По его представлению Брежнев с 1946 по 1950 гг. побывал первым секретарем Запорожского и Днепропетровского обкомов КП(б)У, а в июле 1950 г. был назначен главой ЦК КП(б) Молдавии.