Переведён в состав действующей армии на фронт Великой Отечественной войны с апреля 1942 года. В составе 48-й армии воевал на Брянском, Центральном, Белорусском и 2-м Белорусском фронтах. Командовал 479-м армейским миномётным полком. Летом и осенью 1943 года участвовал в Орловской стратегической наступательной операции «Кутузов», в боях по освобождению Левобережной Украины и юго-западной части Брянской области, в Гомельско-Речицкой операции, Бобруйской и других операциях на территории Белоруссии. За мужество и героизм, проявленные в боях с немецкими захватчиками в ходе Орловской операции, приказом командующего войсками 48-й армии № 070/н от 4 августа 1943 года был награждён первой боевой наградой — орденом Красного Знамени.
Участник освобождения Польши. В одном из боев за город Острув-Мазовецка 23-го октября 1944 года подполковник Тарасов погиб. Похоронен здесь же на воинском кладбище.
За три недели до этого Фёдор Илларионович Тарасов успел совершить свой главный геройский подвиг. Это произошло в ходе боёв за удержание плацдарма у города Ружаны (Западная Белоруссия) 4-го сентября 1944 года.
Член ВКП(б) с 1930-х.
Командуя 479-м армейским миномётным полком на Белорусском фронте, участвовал в боях за расширение и удержание плацдарма на правом берегу реки Сож, а в ходе Гомельско-Речицкой операции освобождал город Речицу. Город был освобождён 17 ноября 1943 года, за что приказом Верховного Главнокомандующего полку было присвоено почётное наименование Речицкого, а всему личному составу, участвовавшему в освобождении Речицы, приказом ВГК от 18 ноября 1943 года была объявлена благодарность и в честь мужественных воинов в Москве дан салют двенадцатью артиллерийскими залпами из 124 орудий. Отмечены были и личные заслуги командира полка — приказом командующего войсками 48-й армии № 0252/н от 21 декабря 1943 года подполковник Тарасов был награждён орденом Александра Невского.
В начале 1944 года войска 48-й армии, проведя частную операцию в направлении на Бобруйск (Белоруссия), улучшили своё положение и до лета 1944 года вели позиционные бои. С началом Белорусской стратегической операции, наступая на бобруйском направлении, войска армии 26 июня овладели городом Жлобин, а затем, во взаимодействии с 65-й армией, разгромили группировку противника, окружённую в районе Бобруйска, и 29 июня полностью освободили этот город. За умелое командование миномётным полком в ходе наступления в Белоруссии и участие в освобождении города Бобруйска, приказом командующего войсками 1-го Белорусского фронта № 0175/н от 14 августа 1944 года подполковник Тарасов был награждён орденом Суворова III степени (№ 9285). Продолжая наступление по Белоруссии в направлении на город Брест, войска армии, во взаимодействии с войсками 65-й и 28-й армий, в ходе 3-дневных боёв, разгромили группировку противника в районе города Барановичи и к концу июля вышли в район южнее города Сураж. В августе – начале сентября они прошли с боями около 150 километров и к 8-му сентября вышли к реке Нарев, на рубеже Ружаны – Пултуск, где перешли к обороне. Однако полк Тарасова уже 4 сентября 1944 года, в составе передового отряда 48 армии 2-го Белорусского фронта, обеспечивал огнём форсирование стрелковыми частями реки Нарев у деревни Дроздово (в 10 км южнее города Ружаны). В течение нескольких последующих дней полк участвовал в отражении многочисленных контратак противника, нанеся ему значительный урон в живой силе и боевой технике. За умелое командование полком, мужество и героизм, проявленные в боях на захваченном плацдарме, командующий артиллерией 399-й стрелковой Новозыбковской дивизии, части которой поддерживали миномётчики 479-го миномётного полка, представил подполковника Тарасова к второму ордену Красного Знамени. Из представления к награждению (сохранена орфография и формат дат из оригинала):
Тяжесть боёв по сохранению стратегического положения, проявленные в них инициатива и эффективность подполковника Тарасова и его подразделения, повлияли на решение вышестоящего командования изменить представление к ордену Красного Знамени на представление к званию Героя Советского Союза. Кроме указанного представления к награде, параллельно было сделано ещё одно представление — к медали «За боевые заслуги». Однако получить эти награды Ф.И. Тарасов уже мог. В одном из непрекращающихся боёв, в пригороде уже польского Острув-Мазовецка подполковник Тарасов пал смертью храбрых 23 октября 1944 года. В этом городе он и был похоронен. Извещение о гибели было направлено семье в Новосибирскую область на железнодорожную станцию Межениновка. Туда же был отправлен и орден Отечественной войны I степени № 111508, которым подполковник Тарасов был награждён за свой последний бой командующим войсками 48-й армии приказом № 0619/н от 16 ноября 1944 года. Представление к званию Героя Советского Союза было в Москве поддержано. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 10 апреля 1945 года, за мужество и героизм, проявленные в борьбе с немецкими захватчиками, командиру 479-го миномётного полка 48-й армии 2-го Белорусского фронта подполковнику Тарасову Фёдору Илларионовичу было присвоено звание Героя Советского Союза (посмертно).
Третьей наградой, которой подполковник Тарасов был награждён уже после своей гибели, стала медаль «За боевые заслуги» — награждён согласно Указу Президиума Верховного Совета СССР от 3 ноября 1944 года за 11-летнюю безупречную службу в Красной Армии.