1938 участвовал в Японо-китайской войне. Там Полынин командовал Ханькоуской бомбардировочной авиагруппой (до 150 человек, из них 31 пилот и 31 штурман), летал на самолёте СБ. Принимал участие в бомбардировке японского аэродрома на острове Формоза (Тайвань), в боевых действиях в районе Нанкина и других операциях. В Китае воевал под псевдонимом «Фынь По». Указом Президиума Верховного Совета СССР от 14 ноября 1938 года за мужество и героизм, проявленные во время боевых действий в Китае, командиру бомбардировочной авиационной группы полковнику Полынину Фёдору Петровичу присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина. С июня 1938 года – старший инспектор по технике пилотирования Управления ВВС РККА. Одновременно с января 1939 года был начальником авиатрассы по перегонке самолётов из СССР в Китай (по ней переброшено свыше 400 самолётов). С октября 1939 года – заместитель командующего ВВС Киевского Особого военного округа. С началом Советско-финской войны в декабре 1939 года Ф. П. Полынин назначен на должность командующего ВВС 13-й армии. Активно участвовал в боевых действиях, руководил авиационной поддержкой войск. С августа 1940 года – командир 13-й бомбардировочной авиационной дивизией в Западном Особом военном округе. Штаб дивизии располагался в Бобруйске. На фронтах Великой Отечественной войны Полынин c июня 1941 года в должности командира 13-й бомбардировочной авиационной дивизии на Западном фронте. В тяжелейших условиях первых месяцев войны, как правило, без истребительного прикрытия, части дивизии активно боролись с наступавшими немецкими войсками в Белостокско-Минском и Смоленском оборонительных сражениях, неся при этом значительные потери. С августа 1941 года – командующий ВВС Брянского фронта, во главе которых участвовал в Рославльско-Новозыбковской наступательной операции и в битве за Москву. С мая 1942 года – заместитель командующего 2-й воздушной армии Брянского фронта, с сентября 1942 – заместитель командующего 6-й воздушной армии Северо-Западного фронта. С января 1943 – командующий 6-й воздушной армией на Северо-Западном, с февраля 1944 – на 2-м Белорусском, с апреля 1944 – на 1-м Белорусском фронтах. В 6-й армии участвовал в боевых действиях за Демянский котёл, в Демянской 1943 года, Старорусской, Невельской, Полесской, Белорусской наступательных операциях. С октября 1944 – командующий ВВС Войска Польского. Польские авиационные части участвовали в Висло-Одерской, Восточно-Померанской и Берлинской наступательных операциях. За время войны Полынин был шесть раз упомянут в благодарственных в приказах Верховного Главнокомандующего. После войны ещё два года командовал ВВС Польши. При этом 11 июля 1946 года ему присвоено воинское звание генерал-полковник авиации. С июня 1947 года – командующий 13-й воздушной армией (с 10.01.1949 г. – 76-я воздушная армия) в Ленинградском военном округе. С мая 1950 года – командующий 30-й воздушной армией (Прибалтийский военный округ). В октябре 1953 года снят с командования армией. В январе 1954 года был направлен на учёбу, в 1955 году окончил Высшую военную академию им. К. Е. Ворошилова. С февраля 1956 года по август 1959 года – командующий
