6 июля 1944 года, во время Великой Отечественной войны, Ишимбайский горвоенкомат призвал Д.С. Никулочкина на действительную военную службу. 4 ноября того же года принял военную присягу. Учился в 22-й школе воздушных стрелков-радистов в городе Уральске. В 1945 году её передислоцировали в город Давлеканово, где ранее образовалась авиабаза по подготовке к воздушной разведке — Военное авиационное училище разведчиков. Д.С. Никулочкин окончил лётную школу и стал старшим сержантом. В 1945-м его направили на Дальний Восток, в 110-ю отдельную разведывательную авиационную эскадрилью, а затем он прибыл в 79-й бомбардировочный авиационный полк. Полк принял непосредственное участие в советско-японской войне, содействуя наземным частям 2-го Дальневосточного фронта и работая с сахалинских аэродромов «Зональное» и «Сокол». Бои проходили на материке, Южном Сахалине и Южных Курилах. Д.С. Никулочкин выполнил несколько боевых вылетов на пикирующем бомбардировщике Пе-2, обстреливал обоз противника. С земли также летели ответные удары, поэтому дважды совершал вынужденные прыжки с парашютом (всего он сделал 98 прыжков).