С началом Великой Отечественной войны Радчука направили в 579‐й дбап. В боях с немецко-фашистскими захватчиками старший лейтенант П.П. Радчук с октября 1941 г. в должности командира ДБ‐3Ф. Участвовал в разгроме гитлеровских захватчиков под Москвой. К февралю 1942 г. П.П. Радчук в составе своего полка, в начале декабря 1941 г. переименованного в 751‐й дбап, совершил 35 боевых вылетов на бомбардировку ближних и дальних целей противника, в том числе крупнейших на московском направлении аэроузлов противника в Смоленске и Вязьме. Он мастерски наносил бомбовые удары по военным и военно-промышленным объектам Данцига, Кёнигсберга, Штеттина, Берлина и других немецких городов. К сентябрю 1942 г. на счету экипажа Ил‐4 в составе командира корабля майора П.П. Радчука и штурмана корабля капитана П.П. Хрусталёва 120 успешных боевых вылетов.
В августе 1942 г. немецкие войска прорвались к Волге. Советское командование бросило на разгром противника под Сталинградом почти всю имевшуюся в его распоряжении авиацию, в том числе и 17‐ю ад дд, в состав которой входил 751‐й ап дд. Во время Сталинградской битвы майор П.П. Радчук совершил 24 ночных боевых вылета на бомбардировку скоплений войск противника и его военной инфраструктуры. При этом Радчук летал, как правило, с повышенной бомбовой нагрузкой и порой делал до четырёх вылетов за ночь. Ударам подвергались и железнодорожные станции, через которые противник осуществлял переброску резервов на сталинградское направление, а также военные объекты в Восточной Пруссии и Польше. К этому времени Радчук имел на своём боевом счету 207 успешных вылетов с общим налётом 715 часов, при этом не имея ни одного случая потери ориентировки или невыполнения боевого задания.
Ни плохие метеоусловия, ни яростный огонь зенитной артиллерии, ни атаки немецких истребителей не могли остановить его экипаж на пути к цели. При этом 9 боевых вылетов он совершил на бомбардировку объектов в глубоком вражеском тылу, в том числе в Берлине – 1 вылет, в Кёнигсберге – 4 вылета, в Данциге – 2 вылета, в Варшаве – 2 вылета. Командир эскадрильи 8‐го гв. ап дд (8‐я гв. ад дд, 2‐й гв. ак дд) подполковник П. Радчук к маю 1943 г. совершил 270 успешных боевых вылетов на бомбардировку военно-промышленных объектов гитлеровской Германии, нанеся противнику значительный урон.
В середине мая 1943 г. из состава 8‐го гв. ап дд было выделено несколько экипажей, из которых началось формирование 19‐го гв. ап дд. Командиром полка был назначен подполковник А.И. Шапошников, а его заместителем стал подполковник П.П. Радчук. В конце сентября – начале октября 1943 г. лётчики полка активно участвовали в битве за Днепр, нанося бомбовые удары по Восточному валу немцев.
Указом ПВС СССР от 27 июля 1943 г. за образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецко-фашистскими захватчиками и проявленные при этом мужество и героизм подполковнику Радчуку П.П. присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда» (№ 1054).
Отважный лётчик пал смертью храбрых 6 октября 1943 г. в воздушном бою. В этот день, при возвращении с боевого задания, самолёт подполковника Радчука П.П. был подбит в районе с. Иваньково Тульской области, расположенного в 15–20 километрах от г. Серпухов Московской области. Зная как опытный пилот, что до аэродрома ему не дотянуть, командир приказал экипажу покинуть самолёт, а сам сумел отвести теряющий управление бомбардировщик подальше от населённых пунктов. Похоронен со всеми воинскими почестями в г. Серпухове на Соборной горе.
По другой версии, утром 5 октября гвардии подполковник П.П. Радчук вернулся с боевого задания по бомбардировке немецких укреплений на правом берегу Днепра. После короткого отдыха Павел Петрович решил потренировать экипаж лейтенанта П.И. Чеботарёва, однако во время учебного полёта самолёт неожиданно стал терять высоту и врезался в землю между селом Иваньково и деревней Юрцово Иваньковского района Тульской области. Лётчики П.П. Радчук и П.И. Чеботарёв погибли на месте. В.В. Решетников в своих мемуарах пишет: «Причин его гибели так никто и не раскрыл. Свидетелей не было. Обломки молчали. В них лежал Павел Петрович и экипаж молоденького лейтенанта Чеботарёва. Кто-то уверял, будто вскочили они в мощно-кучевое облако и оттуда вывалились в беспорядочном падении. Предположений было множество – техника, ошибки, усталость… Поговаривали о залётном «мессере». Это предположение начальству понравилось больше других. На том и сошлись».
Награждён 2 орденами Ленина, орденом Красного Знамени.
Именем Героя названа одна из улиц г. Серпухов, его имя выбито на таблице мемориала.