Після закінчення Військово-морської академії призначений начальником штабу окремого дивізіону підводних човнів Балтійського флоту. На цій посаді зустрів Німецько-радянську війну, брав участь в літньо-осінніх бойових діях 1941 року на Балтиці. У зв'язку з припиненням походів підводних човнів в зимовий час в кінці цього ж року переведений в Головний морський штаб, де служив старшим командиром-оператором, потім начальником відділу оперативного керування. Особливу увагу приділяв впровадженню досвіду воюючих флотів у бойову підготовку Тихоокеанського флоту та Амурської військової флотилії.
З червня 1964 року — перший заступник Головнокомандувача і член Військової ради Військово-Морського Флоту СРСР. Касатонов вніс великий внесок у зміцнення бойової готовності ВМФ, в випробування нових кораблів і в вивчення умов дій сил флоту в арктичних районах. У 1966 році як старший командир брав участь у першому в історії радянського ВМФ підводному навколосвітньому поході атомних підводних човнів, за що був удостоєний звання Героя Радянського Союзу.
З вересня 1974 року — військовий інспектор-радник Групи генеральних інспекторів МО СРСР. Жив і помер в Москві. Похований на Новодівичому кладовищі.
Лур'є В. М. Адмірали та генерали Військово-Морського Флоту СРСР в період Великої Вітчизняної та Радянсько-японської воєн (1941-1945). — СПб : Російсько-Балтійський інформаційний центр «БЛІЦ», 2001. — 280 с. — 1000 прим. — ISBN 5-86789-102-X.
Доценко В. Д. Морський біографічний словник. — Санкт-Петербург : Логос, 1995. — 496 с. — 3000 прим. — ISBN 5-87288-095-2.