В январе 1812 года он начал собирать в Москве и Подмосковье новую 27‑ю пехотную дивизию. В неё вошли Одесский, Тарнопольский, Виленский, Симбирский пехотные полки, 49‑й и 50‑й егерские полки. Всего — 8100 человек и 211 офицеров. В мае 1812 года дивизию передали 2‑й Западной армии П. И. Багратиона. Солдаты шли пешком полтора месяца и прошли 800 вёрст. Когда армия соединилась, дивизия отступала к Смоленску.

14 августа в бою под Красным Неверовский показал себя умелым командиром и храбрым бойцом. Он сражался с двумя корпусами французов под началом маршалов Нея и Мюрата. Его дивизия впервые была в бою: у Неверовского было 6 тысяч человек, а у французов — 15 тысяч. Солдаты отбили около 40 кавалерийских атак и отступали 12 вёрст за 5 часов, сохраняя порядок. Они потеряли всего 7 орудий и сильно задержали врага — русские войска смогли защитить Московскую дорогу. Багратион в донесении № 475 от 5 августа 1812 года написал: «Дивизия новая Неверовского так храбро дралась, что и неслыханно против чрезмерно превосходных сил неприятельских. Можно даже сказать, что и примера такой храбрости ни в какой армии показать нельзя».

4 августа дивизия билась с корпусом генерала Ю. Понятовского у Смоленского предместья Рачевка. Вечером, когда ситуация стала тяжёлой, Неверовский лично повёл солдат в штыковую атаку и отбил врага. 5 августа бой тоже был долгим, но успешным — Неверовский снова возглавил штыковую атаку.

24 августа его дивизия в отряде генерал‑лейтенанта А. И. Горчакова сражалась за Шевардинский редут и потеряла половину бойцов.

Неверовский писал в записке о службе в 1812 году: «Несколько раз брали у меня батарею, но я её отбирал обратно. 6 часов продолжалось сие сражение в виду целой армии… В сражении потерял я почти всех своих бригадных шефов, штаб‑ и обер‑офицеров. Накануне сражения дали мне 4000 рекрутов для наполнения дивизии; я имел во фронте 6000, а вышел с тремя».

В день Бородинского сражения его дивизия воевала на Багратионовских флешах в составе 8‑го пехотного корпуса генерал‑лейтенанта М. М. Бороздина. Неверовский получил контузию в грудь и левую руку, но остался в бою и много раз участвовал в схватках.

Он вспоминал: «Я был послан с дивизиею подкрепить его (Воронцова) и вошёл в жестокий огонь; несколько раз дивизия и я с ней вместе ходили в штыки… Вся армия дралась упорно; но неприятеля было вдвое числом; мы удержали место, выключая наш левый фланг; подал неприятель назад».

В четырёх полках дивизии погибли 87 офицеров и 2687 нижних чинов. За Бородинское сражение Неверовскому дали звание генерал‑лейтенанта.

В Бородинском бою смертельно ранили Александра Неверовского — брата Дмитрия.

Когда русская армия ушла из Москвы, дивизию перевели в арьергард под начало М. А. Милорадовича. Она воевала у бывшего лагеря русской армии под Красной Пахрой (Неверовский писал сестре, что там он «едва спасся»), у Вороново, Тарутино, Малоярославца («Тут я был в опасности и чуть‑чуть не попал в плен», — говорил Неверовский), снова под Красным. Потом дивизию отправили в Вильно переформировываться.

В 1813 году Неверовский пошёл в Заграничный поход русской армии против Наполеона в Германии. Его дивизия была в 13‑м пехотном корпусе Ф. Б. Остен‑Сакена. Она участвовала в боях при Кацбахе и под Лейпцигом. 19 октября Неверовский получил смертельную рану: пуля попала в ногу и застряла в кости, потом началась гангрена. Неверовского похоронили в 1813 году в Галле.