В период Гражданской войны авиационные отряды были объединены в авиационные группы, которые использовались на главных направлениях действий сухопутных войск, и наносили бомбовые удары по вражеским объектам, вели воздушные бои, воздушную разведку, поддерживали связь, сбрасывали листовки и агитационную литературу. В это время были заложены основы оперативного искусства ВВС и тактики родов авиации. За мужество и отвагу при выполнении боевых заданий 219 лётчиков и лётчиков-наблюдателей были награждены орденом Красного Знамени, а 16 лётчиков дважды удостоены этой награды.
После окончания Гражданской войны начался постепенный рост численности и качественный рост ВВС. В 1924—33 на вооружение ВВС поступили отечественные истребители И-2, И-3, И-4, И-5, разведчики Р-3, тяжёлые бомбардировщики ТВ-1, ТВ-3. За 1930—40 производство военных самолётов возросло в 6,5 раза. На вооружение ВВС были приняты истребители И-15, И-16, И-153, бомбардировщики СБ, Ил-4, ТВ-7. В 1939—40 советскими авиаконструкторами были разработаны новые типы современных боевых самолётов.
В 1924 авиационные отряды были сведены в однородные эскадрильи (по 18—43 самолёта), которые в конце 20-х гг. заменены авиационными бригадами. В 1938—39 ВВС были переведены с бригадной организации на полковую и дивизионную. Основной тактической единицей стал полк, состоящий из 4—5 эскадрилий (60—63 самолёта, а в тяжёлобомбардировочном полку — 40 самолетов). В соответствии с назначением и задачами ВВС изменился удельный вес различных родов авиации в составе ВВС: бомбардировочная и штурмовая авиация к 1940—41 составляла 51,9%, истребительная — 38,6%, разведывательная — 9,5%. Однако многие типы самолётов по основным тактико-техническим данным ещё уступали однотипным самолётам ВВС капиталистических государств. Рост технической оснащённости ВВС, их численное увеличение потребовали значительного улучшения дела подготовки командных, инженерных и лётно-технических кадров. В 1938 подготовка лётно-технических кадров для ВВС осуществлялась в 18 лётных и технических училищах. Командный факультет Академии им. Н. Е. Жуковского в 1940 был преобразован в Военно-воздушную академию командного и штурманского состава (ныне Военно-воздушная академия им. Ю. А. Гагарина).
В 1921—41 руководство советскими ВВС осуществляли: А. В. Сергеев (февраль 1921 — конец 1922), А. П. Розенгольц (март 1923 — декабрь 1924), П. И. Баранов (декабрь 1924 — июнь 1931), командарм 2-го ранга Я. И. Алкснис (июнь 1931 — декабрь 1937), командарм 2-го ранга А. Д. Лактионов (декабрь 1937 — сентябрь 1939), генерал-лейтенант авиации Я. В. Смушкевич (сентябрь 1939 — апрель 1940), генерал-лейтенант авиации П. В. Рычагов (апрель 1940 — апрель 1941).
ВВС капиталистических государств в 1918—39 получили значительное развитие и к началу 2-й мировой войны 1939—45 имели в строю боевых самолётов: Германия — 4400, США — 8000, Япония — 4500, Великобритания — 4030, Франция — 3330, Италия — 2950. Удельный вес бомбардировочной авиации в составе ВВС всех стран увеличился по сравнению с 1918 в 2,5 раза, а истребительной и разведывательной авиации — уменьшился. ВВС Германии делились на 5 воздушных флотов — оперативных объединений, каждый из которых включал 800—1200 самолётов. ВВС Великобритании были самостоятельным видом вооружённых сил, подчинялись министру авиации и делились на истребительные и бомбардировочные командования; морская авиация подчинялась военно-морскому министру. ВВС США до 2-й мировой войны не имели единого командования. Авиационные части и соединения, предназначенные для поддержки войск, объединялись в воздушные корпуса, которые подчинялись командованию войск. Годовое производство самолётов в 1939 составляло: в Германии — 10 000, Великобритании — 5800, Франции — 3200, Италии — 3000, Японии — 2500, США — 2400.
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).
