10 июля 1941 года 74-й штурмовой авиаполк после переформирования и переобучения на новую технику вошел в состав 16-й смешанной авиадивизии под командованием Героя Советского Союза генерал-майора авиации Шевченко В.И. По состоянию на 11 июля 1941 года полк имел в своем составе 20 самолетов Ил-2 (из них 10 были неисправны). С 11 по 18 июля 1941 года летчики 74-го ШАП совершали удары по немецким мото-мехколоннам на шоссе Житомир — Киев. В итоге движение фашистских войск было приостановлено на 3 суток.
Лейтенант Колыбин принимает активное участие в боевых вылетах при обороне Киева, нанося удары по живой силе и технике противника. В его личном деле отмечено: «За быстрое освоение материальной части и вылет на самолете Ил-2 в боевых условиях штурману полка Колыбину С.И. объявлена благодарность Героем Советского Союза генерал-майором Шевченко В.И.».
Сам Сергей Иванович после войны рассказывал: «… Помню, дали первое задание: “Разведка. В бой не вступать”. Глянул сверху — картина страшная: всюду пыльные шлейфы, немецкие танки, машины прут на восток. “Мессершмитты” шныряют резво повсюду. Летим назад, вижу “раму” — так называли мы самолет немецких корректировщиков. Под “рамой” — уходящие колонны наших войск. Я зашел сверху и всадил залп “раме”. Тут за меня взялись немецкие истребители, но, почувствовав губительный огонь моего одноместного Ил-2, отстали.
Каждый день мой 74-й полк штурмовой авиации в небе: мы помогали нашим отступавшим войскам, налетали на немецкие колонны, на аэродромы. Таяли наши ряды. На Украине под Фастовом подбили и меня, но удалось дотянуть до своего аэродрома. В июле я стал командиром звена».
За один только летний месяц 1941 года лейтенант Колыбин совершил более двух десятков боевых вылетов, за что был представлен к ордену Красного Знамени.
24 августа он получил от командира авиадивизии генерал-майора Шевченко боевое задание на уничтожение моста через Днепр в 70 километрах на север от Киева в районе Окуниново. Ведомым с ним вылетел лейтенант Олейник В.Я.
О том, что произошло дальше, С.И. Колыбин рассказывал сам: «…Скрытно подойти не удалось, и немцы сразу ударили из зениток. Глянул я вниз, а немцы уже перешли мост — ползут машины, повозки. Танки на нашей восточной стороне, и перед мостом целые колонны стоят, ждут очереди.
Первым положил бомбы на мост Олейник. Я его прикрывал сверху. Олейник — молодец, не испугался зениток, прицельно положил бомбы. Столбы дыма на мосту, суета. Я захожу вслед за ним. Хорошо видно грузовики, тягачи с тяжелыми орудиями, в кузове пехота сидит в касках. Кладу руку на рычаг бомбосбрасывателя.
И вдруг — оглушительный взрыв. Самолет рвануло. Огонь ударил по глазам. В кабине черный дым. Нога заныла и, чувствую, в сапоге липкая кровь. Глянул вправо — пламя, слева тоже огонь. Зенитный снаряд попал в мотор? Но штурмовик послушен, выравниваю машину, тяну на себя штурвал, сбрасываю бомбы. Четыре стокилограммовых чушки полетели в центр моста. Слышу взрыв один, другой. Но самолет клюет носом и начинает падать.
Еще можно выпрыгнуть, еще можно свернуть влево и попытаться посадить самолет на луг. Некоторые спрашивают меня, вспоминал ли я подвиг Гастелло. Не думаю. Кстати, Гастелло я знал, встречался с ним перед самой войной. А тогда некогда было думать. Помню, что я что-то твердил, кажется, слова: “Нет, нет! Не сяду!” Дальше не могу рассказывать…» Колыбин закрыл руками глаза, замолчал…
Подбитый штурмовик прошелся над самой колонной немцев, снес несколько башен с бронированных немецких машин и взорвался. Под своими обломками он похоронил десятки врагов. Лейтенант Василий Олейник, вернувшись с боевого вылета, доложил о гибели Колыбина и о совершении им «огненного тарана». В историческом формуляре 74-го штурмового авиаполка появилась запись: «История полка знает не единичные случаи самопожертвования. Например, коммунист летчик Колыбин С.И., будучи подбитым над целью, повторяет легендарный подвиг капитана Гастелло — врезается самолетом в голову танковой колонны, чем приостанавливает движение и дает возможность полку громить ее в течение трех суток».
Но случилось чудо! Лейтенант Колыбин, всем смертям назло, остался жив. Во время взрыва вместе с кабиной самолета его отбросило на десятки метров. В бессознательном состоянии, с переломами ног и рук он был взят в плен.