В 1941 году, в связи с началом Великой Отечественной войны, был призван в РККА Боготольским РВК Красноярского края. На фронте был разведчиком и связистом. Воевал с 1941 по 1945 годы.
В 1943 году, при форсировании Днепра, был ранен. После лечения в госпитале вернулся на передовую. В 1944 - 1945 гг. участвовал в освобождении Бессарабии, Польши, Румынии, Чехословакии, Венгрии. Демобилизовался в 1945 году.

Боевые заслуги Афанасия Семеновича Тылькина отмечены орденами и медалями. Среди них медали «За отвагу», «За взятие Будапешта», «За победу над Германией» и другие.