В марте 1943 года А. А. Дементьев был назначен заместителем командира 243-го Краматорского отдельного танкового полка на Юго-Западном фронте. В боях за Краматорск в сентябре 1943 года майор А. А. Дементьев командовал группой танков полка, отличился в бою, но был тяжело ранен. За бои под Краматорском был награждён первым Орденом Александра Невского[4]. После выздоровления в апреле 1944 года А. А. Дементьев был назначен старшим помощником начальника оперативного отдела 4-й танковой армии, затем, в августе 1944 года А. А. Дементьев назначен командиром 51-го отдельного мотоциклетного полка 4-й гвардейской танковой армии, участвовал в освобождении Львова, полк получил почетное наименование «Львовский», А. А. Дементьев был награждён вторым Орденом Красного Знамени. С 16 октября 1944 года[6] А. А. Дементьев — командир 93-й отдельной Житомирской танковой бригады 4-й гвардейской танковой армии (1-й Украинский фронт), участвовал в Сандомирско-Силезской и Верхне-Силезской наступательных операциях. В ходе этих операций А. А. Дементьев участвовал в освобождении Милича (22 января 1945 года), Равича (23 января 1945 года), Фейерштадта (13 февраля 1945 года), форсировании Одера, Пилицы, Бобера[7]. Бригада выступала в качестве передового отряда 4-й танковой армии, отрываясь от армии до 100 километров, наносила удары по тылам противника, причинила большой ущерб врагу. 19 февраля 1945 года бригада была награждена орденом Суворова 2-й степени, вскоре и А. А. Дементьев был награждён тем же орденом[4].
После войны, с сентября 1945 года, служил заместителем командира 81-го отдельного тяжелого танкового полка 4-й гвардейской танковой армии, с марта 1947 — командиром 7-го отдельного гвардейского кадрового танкового батальона 4-й отдельной гвардейской танковой дивизии, а в ноябре 1948 года его направили на учёбу. В 1949 году А. А. Дементьев окончил Ленинградские высшие бронетанковые офицерские курсы. С ноября 1949 — командир 41-го отдельного гвардейского мотоциклетного батальона в 4-й гвардейской механизированной армии. С марта по октябрь 1950 — командир 51-го отдельного гвардейского мотоциклетного батальона в 5-й гвардейской механизированной армии.
В 1953 году окончил Военную академию имени М. В. Фрунзе. С ноября 1953 — командир 163-го отдельного тяжёлого танкового полка, с декабря 1954 — заместитель командира 4-й гвардейской танковой дивизии. В 1956 году окончил Высшие академические курсы при Военной академии имени М. В. Фрунзе и в октябре этого года назначен командиром 25-й тяжелой танковой дивизии. Командовал ею, пока в сентябре 1958 года вновь не был направлен на учёбу.
Калашников К. А., Додонов И. Ю. Высший командный состав Вооруженных сил СССР в послевоенный период. Справочные материалы (1945—1975 гг.). Командный состав танковых войск. — Усть-Каменогорск: Медиа-Альянс, 2017. — Т. 3. — С. 151—154. — 652 с. — ISBN 978-601-7887-15-5.
Лелюшенко Д. Д. Москва — Сталинград — Берлин — Прага : Записки командарма. — 4-е изд., испр.. — М.: Наука, 1987. — 408 с. — 50 000 экз.
Картаполов А. В.Дементьев Алексей Алексеевич // Великая Отечественная. Комбриги. Военный биографический словарь. Командиры танковых и самоходно-артиллерийских бригад. — М.: Рипол-классик, 2019. — Т. 3. — С. 173. — 800 с. — ISBN 978-5-386-13527-0.