Возросшая техническая оснащённость позволила в канун войны существенно улучшить организационную структуру войск. В стрелковые дивизии были включены танки, мощная дивизионная артиллерия, противотанковая и зенитная артиллерия, что значительно повысило их огневую мощь. Дальнейшее развитие получила организация артиллерии резерва Главного командования (РГК). Вместо отдельных танковых и броневых бригад, которые с 1939 являлись основными соединениями бронетанковых войск, началось формирование более крупных соединений — танковых и механизированных дивизий. В воздушно-десантных войсках стали формировать воздушно-десантные корпуса, а в ВВС — переходить с 1940 на дивизионную организацию. В ВМФ были организованы соединения и объединения, предназначавшиеся для совместных действий с сухопутными войсками и для проведения самостоятельных операций.
Дальнейшее развитие получили военная стратегия, оперативное искусство и тактика. В середине 30-х гг. разрабатывается теория глубокого боя и глубокой операции, отражавшая качественные изменения в техническом оснащении войск, — принципиально новая теория ведения операций массовыми высокоподвижными, хорошо технически оснащенными армиями. Теоретические положения проверялись на манёврах и учениях, а также в ходе боевых действий Красной Армии в районе озера Хасан, р. Халхин-Гол, в советско-финляндской войне 1939—40. Заново разрабатывались многие уставы и наставления. В 1940 в войска поступили Боевой устав пехоты (ч. 1), проекты Полевого устава и Боевого устава пехоты (ч. 2), Боевой устав танковых войск, Строевой устав, Устав караульной службы и др. 7 мая 1940 наркомом обороны был назначен С. К. Тимошенко.
Несмотря на принимавшиеся меры, подготовка Вооруженных Сил к отражению готовящейся германским фашизмом агрессии не была завершена. Реорганизация Вооруженных Сил на новой технической основе к началу войны не была закончена. Большинство соединений, переведённых на новые штаты, были не полностью укомплектованы оружием и боевой техникой, а также транспортными средствами. Многим командирам среднего и старшего звеньев не хватало опыта ведения современных военных действий.
Великая Отечеств. война 1941—45 явилась самым тяжёлым испытанием для советского народа и Вооруженных Сил СССР. Немецко-фашистские войска, вследствие внезапности нападения, длительной подготовки к войне, 2-летнего опыта военных действий в Европе, превосходства в количестве вооружения, численности войск и других временных преимуществ, сумели в первые месяцы войны, не считаясь с потерями, продвинуться на сотни километров в глубь советской территории. КПСС и Советское правительство сделали всё необходимое для ликвидации смертельной угрозы, нависшей над страной. С начала войны организованно и в короткие сроки проводилось развёртывание Вооруженных Сил. К 1 июля 1941 из запаса было призвано 5,3 млн. чел. Вся жизнь страны перестраивалась на военный лад. Основные отрасли экономики перешли на производство военной продукции. В июле — ноябре 1941 из прифронтовых районов было эвакуировано 1360 крупных предприятий, главным образом оборонного значения. 30 июня 1941 был образован чрезвычайный орган — Государственный комитет обороны (ГКО) под председательством И. В. Сталина. 19 июля 1941 народным комиссаром обороны был назначен И. В. Сталин, который 8 августа стал также Верховным главнокомандующим Вооруженными Силами. ГКО руководил всей жизнью страны, объединив усилия тыла и фронта, деятельность всех государственных органов, партийных и общественных организаций для полного разгрома врага. Принципиальные вопросы руководства государством, ведения войны решались ЦК партии — Политбюро, Оргбюро и Секретариатом. Принятые решения проводились в жизнь через Президиум Верховного Совета СССР, СНК СССР, ГКО и Ставку Верховного Главнокомандования, созданную 8 августа 1941. Стратегическое руководство Вооруженными Силами Ставка осуществляла с помощью своего рабочего органа — Генштаба. Наиболее важные вопросы ведения войны обсуждались на совместных заседаниях Политбюро ЦК, ГКО и Ставки.
С начала войны была расширена подготовка офицеров за счёт увеличения контингента слушателей академий, курсантов училищ и сокращения сроков обучения, создания большого количества курсов для ускоренной подготовки офицеров младшего звена, особенно из числа солдат и сержантов. С сентября 1941 отличившимся соединениям начали присваивать наименование гвардейских (см. Гвардия советская).
Благодаря чрезвычайным мерам, принятым КПСС и Советским правительством, массовому героизму и невиданному самопожертвованию советского народа, воинов армии и флота к концу 1941 удалось остановить врага на подступах к Москве, Ленинграду и к другим жизненно важным центрам страны. В ходе Московской битвы 1941—42 было нанесено первое крупное поражение врагу за всю 2-ю мировую войну. Эта битва развеяла миф о непобедимости немецко-фашистской армии, сорвала план «блицкрига», явилась началом решительного поворота в войне в пользу СССР.
Летом 1942 центр военных действий переместился на южное крыло советско-германского фронта. Враг рвался к Волге, нефти Кавказа, хлебным районам Дона и Кубани. Партия и Советское правительство прилагали все усилия, чтобы остановить противника, продолжали наращивать мощь Вооруженных Сил. К весне 1942 в составе Вооруженных Сил находилось только в действующей армии 5,5 млн. чел. С середины 1942 промышленность начала увеличивать выпуск военной продукции, более полно обеспечивать потребности фронта. Если в 1941 было выпущено 15 735 самолётов, то в 1942 уже 25 436, танков соответственно 6590 и 24 446, выпуск боеприпасов увеличился почти вдвое. В 1942 в армию было направлено 575 тыс. офицеров. В Сталинградской битве 1942—1943 советские войска нанесли врагу поражение и захватили стратегическую инициативу. Эта победа явилась началом коренного перелома не только в Великой Отечественной войне, но и во всей 2-й мировой войне.
В 1943 быстрыми темпами развивалось военное производство: выпуск самолётов по сравнению с 1942 возрос на 137,1%, боевых кораблей на 123%, пистолетов-пулемётов на 134,3%, снарядов на 116,9%, авиабомб на 173,3%. В целом производство военной продукции увеличилось на 17%, а в фашистской Германии на 12%. Советская оборонная промышленность сумела превзойти врага не только по количеству вооружения, но и по его качеству. Массовый выпуск артиллерийских орудий позволил усилить дивизионную артиллерию, создать корпусную, армейскую артиллерию и мощную артиллерию резерва Верховного Главнокомандования (РВГК), новые части и подразделения реактивной, противотанковой и зенитной артиллерии. Было сформировано значительное число танковых и механизированных корпусов, большая часть которых была сведена в дальнейшем в танк. армии. Бронетанковые и механизированные войска стали основной ударной силой Сухопутных войск (к концу 1943 в их составе было 5 танк. армий, 24 танковых и 13 механизированных корпусов). Увеличился состав авиационных дивизий, корпусов и воздушных армий.
Значительное усиление мощи Советских Вооруженных Сил и возросшее полководческое искусство её военачальников позволили в Курской битве 1943 нанести фашистским войскам крупное поражение, которое поставило фашистскую Германию перед военной катастрофой.
Решающие победы были одержаны Вооруженными Силами СССР в 1944—45. К этому времени они имели огромный боевой опыт, обладали колоссальной мощью и к началу 1945 насчитывали 11 365 тыс. чел. Ярко раскрылись преимущества социалистической системы хозяйства, жизненность экономической политики КПСС и Советского правительства. В 1943—45 ежегодно выпускалось в среднем 220 тыс. артиллерийских орудий и миномётов, 450 тыс. пулемётов, 40 тыс. самолётов, 30 тыс. танков, САУ и бронеавтомобилей. В массовом количестве выпускались новые типы самолётов — Ла-7, Як-9, Ил-10, Ту-2, тяжёлые танки ИС-2, самоходно-артиллерийские установки ИСУ-122, ИСУ-152 и СУ-100, реактивные установки БМ-31-12, 160-мм миномёты и другая боевая техника. В результате стратегических наступательных операций, в том числе под Ленинградом и Новгородом, в Крыму, на Правобережной Украине, в Белоруссии, Молдавии, Прибалтике и в Заполярье, Вооруженные Силы очистили от захватчиков советскую землю. Развивая стремительное наступление, советские войска в 1945 провели Восточно-Прусскую, Висло-Одерскую и другие операции. В Берлинской операции они добились окончательного разгрома фашистской Германии. Вооруженные Силы выполнили великую освободительную миссию — помогли избавиться от фашистской оккупации народам стран Восточной и Юго-Восточной Европы.
