Сформирована 12 мая 1942 г. на основании приказа НКО СССР от 5 мая 1942 г. на базе управления ВВС Брянского фронта 2-го формирования. В нее вошли 205-я и 207-я истребительные, 208-я ночная бомбардировочная, 223-я ближнебомбардировочная, 225-я и 227-я штурмовые авиадивизии и два отдельных авиаполка.

В июне-июле в ходе Воронежско-Ворошиловградской стратегической оборонительной операции основные силы армии прикрывали и поддерживали войска 13-й и 40-й армий. 9 июля она была включена в состав Воронежского фронта.

В ноябре-декабре, будучи в оперативном подчинении Юго-Западного фронта 2-го формирования (с 16ноября), поддерживала войска его правого крыла в ходе контрнаступлении под Сталинградом. Во взаимодействии с 8, 16 и 17-й воздушными армиями вела бои за господство в воздухе, осуществляла авиационную поддержку сухопутных войск при окружении 330-тысячной группировки противника. 21 декабря армия возвращена в состав Воронежского (с 20 октября 1943 г. 1-й Украинский) фронта. В январе- феврале 1943 г. участвовала в Воронежско-Касторненской наступательной операции. К лету 1943 г. в состав армии входили три авиационных корпуса и две авиационные дивизии. В период Курской битвы надежно прикрывала войска фронта от ударов противника с воздуха, наносила бомбовые и штурмовые удары, вела активную борьбу за господство в воздухе. В августе, в ходе Белгородско-Харьковской стратегической наступательной операции армия успешно решала задачи по содействию прорыву обороны противника, обеспечению ввода в прорыв 1-й и 5-й гвардейских танковых армий и развития их успеха. В ходе последующих наступательных операций поддерживала войска фронта на киевском направлении и в битве за Днепр.

За активное участие в освобождении Киева 6 авиадивизий, 5 авиаполков и авиаэскадрилья получили почетные наименования Киевских. Большой вклад внесла 2-я воздушная армия в разгром немецко-фашистских войск на Правобережной Украине. Несмотря на сложные метеоусловия, летчики наносили врагу ощутимый урон.

Зимой и весной 1944 г. армии участвовали в Житомирско-Бердичевской, Корсунь-Шевченковской, Ровно-Луцкой, Проскуровско-Черновицкой, летом — в Львовско-Сандомирской стратегической наступательных операциях. В этот период 2-я воздушная армия состояла из девяти авиакорпусов, трех отдельных авиадивизий и четырех авиаполков. В ее состав входил также 1-й чехословацкий авиаполк, развернутый затем в дивизию. 16 июля в оперативное подчинение командующего 2-й воздушной армией поступила 8-я воздушная армия. В январе-марте 1945 г. участвовала в Сандомирско-Силезской, Нижнесилезской и Верхнесилезской наступательных операциях. С середины апреля — в Берлинской стратегической операции. Участием в освобождении Праги завершился боевой путь армии в Великой Отечественной войне.

За годы войны летчики 2-й воздушной армии совершили свыше 300 тыс. самолето-вылетов, провели более 6 тыс. воздушных боев. Армия приняла участие в шести воздушных операциях.

65 ее соединений и частей преобразованы в гвардейские, 227 частей и соединений награждены орденами, а 125 соединениям и частям присвоены почетные наименования.

Тысячи воинов армии награждены орденами и медалями, 281 из них стал Героем Советского Союза, а 13 летчиков удостоены этого звания дважды: В.И. Андрианов, Т.Я. Бегельдинов, А.В. Ворожейкин, В.А. Зайцев, А.Ф. Клубов, М.В. Кузнецов, И.Х. Михайличенко, М.П. Одинцов, П.А. Плотников, И.С Полбин, В.И. Попков, В.Г. Рязанов, Н.Г. Столяров. Трижды Героем Советского Союза стал А.И. Покрышкин.

Командующие: генерал-майор авиации, с декабря 1942 г. генерал-лейтенант авиации, с февраля 1944 г. генерал-полковник авиации Красовский С.А. (май-октябрь 1942 г. и март 1943 г. — до конца войны); полковник, с октября 1942 г. генерал-майор авиации Смирнов К.Н. (октябрь 1942г.-март 1943 г.).

Начальники штаба: полковник, генерал-майор Тельнов К.И. (май- август 1942 г. и август 1943 г. — август 1944 г.); полковник Брайко П.И. (август-октябрь 1942 г.); полковник Степанов Н.Л. (октябрь 1942 г. — апрель 1943 г.); генерал-майор авиации Качев Ф.И. (апрель 1943 г. — август 1943 г.); генерал-майор авиации Пронин А.С. (август 1944 г. — до конца войны).