В СССР перед началом 2-й мировой войны КПСС и Советским правительством были приняты меры по форсированию производства лучших типов самолётов. В 1940—41 были начаты серийный выпуск истребителей Як-1, МиГ-3, ЛаГГ-3, бомбардировщиков Пе-2, Пе-8, штурмовиков Ил-2 и перевооружение ими авиационных полков. Эти типы самолётов превосходили однотипные самолёты ВВС Германии. Например, максимальная скорость самолёта Як-1 на 30 км/ч превышала скорость Ме-109; самолёты Пе-2 и Пе-8 по сравнению с Ju-88 и He-111 имели большую бомбовую нагрузку и скорость полёта. Штурмовик Ил-2 по сравнению с немецким штурмовиком Hs-129 имел большую скорость и дальность полёта и лучшее вооружение — реактивные снаряды и 400-кг бомбы. Однако к началу Великой Отечественной войны перевооружение советских авиачастей новой авиационной техникой и переучивание лётного состава не были закончены.
С началом Великой Отечественной войны 1941—45 в результате внезапных ударов немецко-фашистской авиации по аэродромам советские ВВС в первый день войны понесли серьёзный урон в самолётах. Несмотря на тяжёлые потери в самолётах на аэродромах, борьба с немецкой авиацией приобрела ожесточённый характер. Численному превосходству противника были противопоставлены высокое напряжение действий советских ВВС, боевое мастерство, отвага и героизм лётного состава. На вооружение ВВС стали поступать новейшие самолёты-истребители Як-7б, Як-9, Як-3, Ла-5, Ла-7, Ла-9, двухместные штурмовики Ил-2, а с лета 1944 — Ил-10, бомбардировщики Ту-2, новые пушки, бомбы, в том числе противотанковые, радио- и радиолокационные станции, аэронавигационное оборудование, аэрофотоаппараты и другая техника и вооружение. В мае 1942 во фронтовой авиации были созданы воздушные армии — крупные авиационные оперативные объединения (к концу года их насчитывалось 13). С осени 1942 началось формирование отдельных авиационных корпусов Резерва Верховного Главнокомандования как наиболее целесообразной формы авиационных резервов. В марте 1942 дальняя и тяжелобомбардировочная авиация была изъята из подчинения командующего ВВС и преобразована в Авиацию дальнего действия с непосредственным подчинением Ставке. Изменение организационной структуры и резко возросшая численность ВВС позволили массированно применять авиацию на решающих направлениях действий сухопутных войск и осуществлять централизованное управление ею. Высокие боевые качества советских ВВС особенно ярко проявились в битвах под Москвой, Сталинградом, Курском, в операциях на Правобережной Украине, в Белоруссии, Ясско-Кишинёвской, Висло-Одерской и Берлинской. Если в операциях 1941 участвовало 200—500 самолётов, то в 1943—45 — до нескольких тысяч, а в Берлинской операции 1945 — до 8400 самолётов. Авиационная промышленность систематически увеличивала производство самолётов. Среднемесячный выпуск во 2-й половине 1941 составлял 1630 самолётов, в 1942 — 2120, в 1943 — 2907, в 1944 — 3355 и в 1945 — 2206 самолётов.
За годы Великой Отечественной войны советские лётчики совершили около 4 млн. боевых самолёто-вылетов и сбросили на врага 30,5 млн. бомб. В воздушных боях и на аэродромах было уничтожено 55 тыс. немецких самолётов (84% всех потерянных ими на Восточном фронте). Советскими лётчиками была оказана большая помощь партизанам. Только полки дальней авиации и Гражданского Воздушного Флота совершили около 110 тыс. самолёто-вылетов, доставив партизанам 17 тыс. т вооружения, боеприпасов, продовольствия и медикаментов, перевезли по воздуху свыше 83 тыс. партизан. Советские лётчики показали многочисленные примеры беззаветной преданности Родине, подлинного героизма и высокого боевого мастерства. Беспримерные подвиги совершили лётчики Н. Ф. Гастелло, В. В. Талалихин, А. П. Маресьев, И. С. Полбин, Б. Ф. Сафонов, Т. М. Фрунзе, Л. Г. Белоусов, З. А. Сорокин, П. Т. Харитонов, С. И. Здоровцев, М. П. Жуков и многие др. Свыше 200 тыс. воинов советских ВВС награждены орденами и медалями, 2420 авиаторам присвоено звание Героя Советского Союза, 65 лётчикам — звание дважды Героя Советского Союза и двум — звание трижды Героя Советского Союза (А. И. Покрышкин и И. Н. Кожедуб). Две трети авиационных соединений и частей получили почётные наименования, более одной трети удостоены звания гвардейских. Советскими ВВС во время Великой Отечественной войны руководили командующие ВВС генерал-лейтенант авиации П. Ф. Жигарев (апрель 1941 — февраль 1942) и Главный маршал авиации А. А. Новиков (апрель 1942 — март 1946).
ВВС Великобритании и США в период 1941—45 на европейском и африканском театрах войны действовали в благоприятной для них обстановке, так как основные силы немецких ВВС были скованы на советско-германском фронте. Однако и в этих условиях английские бомбардировщики до лета 1943 вели лишь ограниченные действия по немецким объектам, а усилия ВВС США сосредоточивались главным образом в районе Тихого океана против Японии и в районе Средиземного моря для обеспечения морских десантных операций.
ВВС воюющих государств в ходе 2-й мировой войны в своём развитии достигли новых высоких количественных и качественных показателей. Производство боевых самолётов всех воюющих государств за годы войны составило 450 тыс. Значительно повысились лётно-технические характеристики самолётов: скорость истребителей достигла 650— 720 км/ч , бомбовая нагрузка фронтовых бомбардировщиков — 2 тыс. кг , а дальность полёта — 2 тыс. км . В США и Великобритании была создана стратегическая авиация. Дальнейшее развитие получили авиационные средства поражения: появились фугасные бомбы массой до 9000 кг , зажигательные — до 500 кг . Германия применила самолёты-снаряды ФАУ-1, ракетные снаряды ФАУ-2 по объектам на территории Великобритании. Возросли калибр и скорострельность авиационных пушек и пулемётов. ВВС широко применяли реактивные снаряды и радиотехнические средства, обеспечивавшие самолётовождение в любых условиях погоды, в любое время суток, точный выход на объекты действий и эффективное поражение их. Благодаря возросшим транспортным возможностям ВВС широко стала применяться транспортировка крупных воздушных десантов в глубокий тыл противника с различными целями.
В послевоенные годы советские ВВС были перевооружены реактивными самолётами МиГ-9, МиГ-15, Як-15, Ла-15 и др. На вооружение поступили советские транспортные самолёты и вертолёты. На основе обобщённого опыта, накопленного в период Великой Отечественной войны, были разработаны новые боевые уставы, наставления и руководства по боевому применению видов и родов авиации. Для обеспечения надёжного самолётовождения, точного бомбометания и стрельбы самолёты оснащаются различными радиоэлектронными системами; было начато оборудование аэродромов системой «слепой» посадки самолётов по приборам.
Поступление на вооружение ВВС ядерного оружия обусловило коренные изменения в формах и способах боевого применения ВВС и резко повысило их роль в ведении войны. Одновременно продолжалось техническое развитие авиации. Истребительная авиация получила сверхзвуковые самолёты МиГ-19, вооружённые ракетами класса «воздух-воздух», а на смену устаревшим самолётам-штурмовикам пришли истребители-бомбардировщики МиГ-15 бис. На вооружение дальней авиации поступили новые тяжёлые реактивные и турбовинтовые самолёты. Увеличилось производство вертолётов, поступил на вооружение вертолёт Ми-6 с турбореактивными двигателями. Количественный и качественный рост военно-транспортных самолётов и вертолётов позволил расширить задачи военно-транспортной авиации, которая полностью оформилась как род авиации. В связи с поступлением на вооружение ВВС сверхзвуковых самолётов, вооружённых ракетами «воздух-воздух» и «воздух-земля», дальняя и фронтовая авиация с 1960 стала превращаться в сверхзвуковую, ракетоносную авиацию. Это значительно повысило боевые возможности ВВС по преодолению ПВО противника и более надёжному поражению воздушных, наземных и надводных целей. Продолжала меняться тактика дальней и фронтовой авиации. Самолёты-ракетоносцы получили возможность наносить удары по целям с дальних дистанций, не заходя в зону действий средств ПВО объектов противника. Значительно возросли возможности военно-транспортной авиации. Она стала способной перебрасывать в глубокий тыл противника соединения воздушно-десантных войск с их штатной боевой техникой и вооружением (танки, орудия, ракеты, автомашины). Наряду с техническим развитием ВВС совершенствовались формы и способы их применения. Основными современными формами боевых действий ВВС являются воздушные операции и совместные действия с другими видами вооружённых сил, а основными способами их боевых действий — массированные удары и действия небольшими группами.