После начала Великой Отечественной войны Матросов неоднократно обращался с письменными просьбами направить его на фронт. В сентябре 1942 года был призван Кировским РВК города Уфы в Рабоче-крестьянскую Красную Армию и начал учёбу в Краснохолмском пехотном училище (Чкаловская, ныне Оренбургская область). В ноябре 1942 года вступил в ВЛКСМ. В декабре 1942 года вместе с курсантами училища отправлен на сборный пункт в Астрахань (или в Харабали Астраханской области) на учения. 18 января 1943 года вместе с курсантами училища, добровольцем в составе маршевой роты, отправился на Калининский фронт. 12 февраля 1943 года Матросов прибыл в часть, служил в составе 2-го отдельного стрелкового батальона (по другим данным в 1-й роте 3-го батальона) 91-й отдельной Сибирской добровольческой бригады имени И. В. Сталина (позже 254-й гвардейский стрелковый полк 56-й гвардейской стрелковой дивизии, Калининский фронт), избран групкомсоргом и назначен агитатором взвода. 15 февраля 1943 года, в 18:00, 91-я бригада выступила от станции Земцы в направлении города Локня. С 25 февраля 1943 года на фронте. 25 февраля 1943 года 91-я бригада двумя батальонами вела наступательные бои за населенные пункты Черное и Брутово. 26 февраля 1943 года 91-я бригада частью сил 2-го батальона вышла в район деревни Плетень (Северные), имея задачей ударом во фланг уничтожить противника, обороняющего деревни Чернушки и Черная, и овладеть ими. С фронта на Чернушки наступал 4-й батальон. 27 февраля 1943 года героически погиб в бою в районе деревни Чернушки Локнянского района Калининской области (со 2 октября 1957 года — Псковской области). Похоронен там же в деревне, а в 1948 году его прах был перезахоронен в городе Великие Луки Великолукской области (со 2 октября 1957 года — Псковской области).