В боях с немецко-фашистскими захватчиками капитан П.А. Полыгалов с 7 сентября 1941 г. в должности штурмана корабля. В течение 1941 г. в качестве штурмана П.А. Полыгалов совершил 18 боевых вылетов на бомбардировку скоплений войск противника и его военной инфраструктуры в условиях подавляющего преимущества немцев в воздухе. 9 октября 1941 г. при налёте на железнодорожный узел Смоленск на самолёте Полыгалова огнём зенитной артиллерии был повреждён один мотор. Однако это не помешало Полыгалову точно вывести самолёт на заданную цель. При возвращении на свой аэродром экипаж вынужден был покинуть загоревшийся самолёт над территорией, занятой противником. Через 12 дней экипаж пересёк линию фронта и благополучно вернулся в полк.
В декабре 1941 г. 421‐й дбап был преобразован в 747‐й ап дд в составе 3‐й ад дд. С середины февраля 1942 г., действуя с аэродрома Кратово в интересах Северо-Западного, Калининского, Западного и Брянского фронтов, штурман корабля Ер‐2 капитан П.А. Полыгалов участвовал в налётах на скопления войск противника и бомбардировках железнодорожных узлов, воинских эшелонов и аэродромов противника. Он выводил свой бомбардировщик на цели в Витебске, Минске, Орше, Ярцево, Вязьме, Смоленске, а также участвовал в разведывательных полётах в ближнем и глубоком тылу неприятеля. В июне 1942 г. капитан Полыгалов одним из первых в АДД освоил маршрут по перегону самолётов Б‐25 из Ирана в СССР.
С лета 1942 г. Полыгалов воевал на самолёте Б‐25 в экипаже А.А. Баленко. В период с 25.07 по 09.09.1942 г. штурман Полыгалов участвовал в четырёх налётах на Кёнигсберг и одном налёте на Данциг. В августе 1942 г. полк, в котором служил П.А. Полыгалов, участвовал в боях на сталинградском направлении. Экипажи полка вынужденно использовались в качестве фронтовых бомбардировщиков, в связи с чем полк понёс большие потери. В одном из боёв был подбит и Б‐25 Полыгалова, но экипажу удалось дотянуть до своей территории и выброситься с парашютами. В ноябре 1942 г. он участвовал в выполнении специальных заданий командования по разбрасыванию листовок в районе Краматорска, Сталино, Макеевки и Орджоникидзе, в ходе которых было сброшено более 10 млн единиц.
В июне 1943 г. из экипажей 747‐го ап дд и 15‐го гв. ап дд был сформирован 22‐й гв. ап дд в составе 5‐й гв. ад дд 4‐го гв. ак дд. П.А. Полыгалов, ставший к этому времени майором, был назначен на должность штурмана полка. Летом 1943 г. полк участвовал в Курской битве, осенью 1943 г. майор Полыгалов водил группы бомбардировщиков на военные объекты противника в Смоленске и Орше. Весной 1944 г. участвовал в Уманско-Ботошанской операции 2‐го Украинского фронта. Летом 1944 г. 22‐й гв. ап дд участвовал в операции «Багратион» на бобруйском направлении. Майор П.А. Полыгалов особенно отличился в первые дни наступления Красной армии в Белоруссии. При бомбардировке вражеских объектов в Селище 23 и 24 июня 1944 г. каждый раз около часа находился в секторах обстрела зенитной артиллерии, осуществляя подсветку целей.
В августе 1944 г. 4‐й гв. ак дд был переброшен на Украину и принимал участие в Ясско-Кишинёвской операции. В боевых вылетах майор П.А. Полыгалов, как правило, участвовал в качестве лидера наведения и контролёра полка и дивизии. Одновременно он участвовал в специальных заданиях командования, которые заключались в доставке оружия, боеприпасов, медикаментов и других военных грузов для Югославской народной армии. Всего к октябрю 1944 г. майор П.А. Полыгалов совершил 190 боевых вылетов, в том числе: 4 – на Кёнигсберг, 1 – на Данциг, 3 – на Хельсинки и 16 – к югославским партизанам. 55 боевых вылетов Павел Андреевич совершил в качестве лидера наведения самолётов на цель и контролёра полка и дивизии. Начав работу с пятью экипажами в 1943 г., гвардии майор Полыгалов к октябрю 1944 г. руководил действиями штурманов двадцати восьми экипажей. За это время он хорошо поставил в полку обучение молодых штурманов и лично подготовил к штурманской работе 32 лётчика.
Указом ПВС СССР от 5 ноября 1944 г. за образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецкими захватчиками и проявленные при этом отвагу и героизм майору Полыгалову П.А. было присвоено звание Героя Советского Союза с вручением Золотой медали (№ 5281). Вскоре ему было присвоено и очередное воинское звание – подполковник.
В декабре 1944 г. в связи с реформированием АДД 22‐й гв. ап дд был преобразован в 238‐й гв. бап в составе 15‐й гв. бад 4‐го гв. бак 18‐й ВА. В последние месяцы войны подполковник П.А. Полыгалов совершил ещё 7 боевых вылетов, в том числе на бомбардировку военных объектов и железнодорожных узлов в Веспреме (Венгрия) и Зноймо (Чехословакия). Его общий налёт составил 1392 часа, из которых 830 часов боевого налёта. Боевой путь завершил 9 мая 1945 г. на аэродроме Текел в Венгрии. За годы войны Полыгалов воевал на самолётах Ер‐2, ТБ‐7, Р‐5, ПС‐84, СБ, Ил‐4 и Б‐25.