На 20-м вылете во время очередной штурмовки Нельсон был ранен осколком зенитного снаряда, но сумел дотянуть самолет до аэродрома. В августе 1941 года, толком не долечившись, он снова идёт на штурм неприятельских позиций уже в составе 57-го штурмового авиаполка ВВС Балтийского флота. Теперь Н. Г. Степанян сражается на подступах к Ленинграду, успешно уничтожая технику и живую силу противника.
Скупая хроника боевой деятельности Нельсона Степаняна в первые полгода войны весьма красноречиво говорит сама за себя. В небе Ленинграда он совершил более 60 боевых вылетов и вместе со своим звеном уничтожил и вывел из строя 8 танков, почти 90 автомашин, более 60 зенитных орудий и пулемётов, множество другой техники.
За образцовое выполнение боевых заданий командования, мужество, отвагу и геройство, проявленные в борьбе с немецко-фашистскими захватчиками, Указом Президиума Верховного Совета СССР от 23 октября 1942 года капитан Н. Г. Степанян удостоен звания Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали "Золотая Звезда".
В ноябре 1942 года Н.Г. Степанян становится командиром эскадрильи 57-го штурмового авиаполка, который в марте следующего года, одним из первых на флоте, получил звание 7-го Гвардейского.
Спустя некоторое время Нельсона Степаняна отзывают с фронта и назначают готовить лётные кадры на курсы командиров звеньев Военно-Воздушных Сил Краснознамённого Балтийского флота. Там в полной мере проявился талант Нельсона Степаняна уже как наставника-педагога, умевшего, как никто другой, в кратчайшие сроки передавать ученикам свои знания и умение ведения воздушной войны.
В апреле 1944 года Нельсон Степанян назначается командиром 47-го штурмового авиаполка ВВС Черноморского флота. Полк в это время отчаянно сражался с врагом в небе Крыма и Кубани. За время Крымской операции полк Степаняна уничтожил 8 транспортов, 12 быстроходных десантных барж, 9 сторожевых катеров, свыше 3000 солдат и офицеров противника.
После освобождения Крыма полк Степаняна был переведен на Балтику. За короткое время 47-й полк уничтожил 30 вражеских кораблей и судов. А ещё месяц спустя Нельсон Георгиевич был представлен к награждению второй медалью "Золотая Звезда". К этому времени командир 47-го штурмового авиаполка подполковник Н. Г. Степанян совершил 239 боевых вылетов. Он лично потопил целую эскадру: 1 миноносец, 2 сторожевых корабля, 1 тральщик, 2 торпедных катера и 5 транспортов, общим водоизмещением более 80 000 тонн! Кроме этого во время штурмовок уничтожил до 5000 солдат и офицеров врага, разбил 4 переправы, вызвал более 80 взрывов и 70 пожаров.
В декабре 194 года полк участвовал в крупной операции по нанесению ударов по кораблям в Либавскому порту. Сам командир полка во главе первой группы должен был подавить береговую и корабельную зенитную артиллерию. Вторая же группа тем временем должна была пробиться к транспортам и разделаться с ними. Уже на самом подходе к целям самолёты Нельсона Степаняна были внезапно атакованы сразу 30 вражескими истребителями. Завязался ожесточённый и скоротечный воздушный бой. Спустя несколько минут самолёт ведущего, который первым храбро бросился в контратаку, прикрывая остальных, был подожжён. На уже объятом пламенем штурмовике Степанян атаковал и сбил один из "Фокке-Вульфов". Спустя несколько минут его Ил-2 упал в море. Н. Г. Степанян и бывший с ним штурман 2-й эскадрильи 47-го авиаполка, капитан А. Г. Румянцев погибли.
6 марта 1945 года за умелое руководство полком и личное мужество, проявленное в боях с врагами, Нельсону Георгиевичу было присвоено звание дважды Героя Советского Союза посмертно.