В боях Великой Отечественной войны с июня 1941 года. В июле 1941 года повышен в должности до заместителя командира авиаэскадрильи с переводом в 177-й истребительный авиационный полк ВВС Московского военного округа. Воевал на истребителях И-16 и МиГ-3.
В ночь на 7 августа 1941 года на И-16 тип 29 одним из первых военных лётчиков РККА произвёл таран в ночном воздушном бою над Москвой в Великой Отечественной войне, сбив в небе Москвы бомбардировщик He-111 лейтенанта И. Ташнера из состава 7-й эскадрильи 26-й бомбардировочной эскадры. Самолёт Талалихина упал в лес вблизи деревни Степыгино (ныне — городской округ Домодедово), а сам раненый лётчик на парашюте спустился в речку Северку. В бою также выжил пилот He-111 Р. Шик.
Указом Президиума Верховного Совета СССР «О присвоении звания Героя Советского Союза лётчику-истребителю младшему лейтенанту Талалихину Виктору Васильевичу» от 8 августа 1941 года за «образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с германским фашизмом и проявленные при этом отвагу и геройство» удостоен звания Героя Советского Союза.
По утверждениям ряда авторов, в последующих боях В. Талалихин сбил ещё пять немецких самолётов. Однако по данным исследователя результативности советских истребителей М. Ю. Быкова, в 1941 году Виктор Талалихин сбил три немецких самолёта лично (причём первый из них в воздушном бою накануне своего легендарного тарана — 5 августа 1941 года сбил Ю-88, второй — тараненый He-111, третий — сбитый 13 октября ещё один He-111). В бою 15 октября 1941 года в группе с товарищами сбил один истребитель Ме-110.
В. В. Талалихин погиб в воздушном бою около Подольска 27 октября 1941 года. Был похоронен в колумбарии Донского кладбища, в 1959 году при организации памятника «Герои Московской битвы» прах был перенесён и захоронен на Новодевичьем кладбище в Москве. В 1948 году зачислен навечно в 1-ю эскадрилью 177-го истребительного авиаполка.
