В состав 4-й ВА вошли: 216, 217, 229-я истребительные дивизии (командиры – генерал-майор авиации В. И. Шевченко, полковники Д. П. Галунов и П. Г. Степанович); 230-я штурмовая дивизия (командир подполковник С. Г. Гетьман); 219-я бомбардировочная дивизия (командир полковник И. Т. Батыгин); 218-я ночная бомбардировочная дивизия (командир полковник Д. Д. Попов); один учебно-тренировочный и семь отдельных смешанных авиаполков, эскадрилья связи и эскадрилья дальней разведки. На вооружении ВА имела 208 самолетов и 437 летных экипажей. В начале июня 1942 г. Воздушная армия пополнилась еще одним полком – 588-м ночным легкобомбардировочным, ставшим в советских ВВС первой женской авиационной частью (командир Е. Д. Бершанская). В феврале 1943 г. полк преобразован в 46-й гвардейский, а в октябре этого же года удостоен собственного наименования – Таманский. Двадцати трем девушкам-гвардейцам было присвоено звание Героя Советского Союза.
28 июля 1942 г. 4-я ВА передана в распоряжение преобразованного Северо-Кавказского фронта и осуществляла прикрытие отступления советских войск. С 11 августа 1942 г. 4-я ВА вела военные действия в составе Северной группы войск Закавказского военного округа. 1 января 1943 г. массированными ударами частей 4-й ВА началось наступление советских войск на Ставропольском направлении.
Самым знаменательным этапом боевого пути объединения в период Великой Отечественной войны стали воздушные бои в небе над Кубанью, именно здесь было достигнуто превосходство над противником в воздухе, применены новые способы и методы ведения воздушного боя. При освобождении Северного Кавказа около 70 военнослужащих 4-й ВА были удостоены высокого звания Герой Советского Союза. 24 апреля 1943 г. воздушная группировка Северо-Кавказского фронта была расформирована, 4-я ВА осталась в распоряжении фронта. С 1 ноября началась операция по освобождению Керченского полуострова, в которой 4-я ВА приняла непосредственное участие. В 1943–1944 гг. она участвовала в освобождении Крыма и Севастополя.
На завершающем этапе Великой Отечественной войны, 12 мая 1944 г. управление 4-й ВА было переведено в Рославль на 2-й Белорусский фронт и приняло непосредственное участие в подготовке новой наступательной операции. В течение августа – октября 1944 г. 4-я ВА готовилась к решающим боям