Сформирована 22 мая 1942 г. на основании приказа НКО СССР от 7 мая 1942 г. на базе управления и соединений ВВС Южного фронта в составе 216, 217-й и 229-й истребительных, 230-й штурмовой, 218-й ночной бомбардировочной и 219-й бомбардировочной авиадивизий, 7 отдельных смешанных авиаполков.

29 июля включена в состав Северо-Кавказского фронта, 14 августа переподчинена командующему войсками Закавказского фронта 2-го формирования.

В июле-декабре 1942 г. она участвовала в Воронежско-Ворошиловградской и Северо-Кавказской стратегических оборонительных операциях.

28 января 1943 г. включена в состав Северо-Кавказского фронта 2-го формирования, поддерживала сухопутные войска в ходе Северо-Кавказской стратегической наступательной операции (январь-февраль), в Краснодарской наступательной (февраль-март), Новороссийско-Таманской стратегической наступательной (сентябрь-октябрь) и Керченско-Эльтигенской десантной (ноябрь) операциях.

20 ноября переподчинена отдельной Приморской армии. В воздушных сражениях на Кубани (апрель-июнь 1943 г.) во взаимодействии с 5-й воздушной армией и авиацией Черноморского флота вела бои за завоевание советскими ВВС господства в воздухе. В результате была разгромлена крупная авиационная группировка противника, который потерял на земле и в воздухе более 1100 самолетов.

Весной 1944 г. 4-я воздушная армия приняла участие в освобождении Крыма. 18 апреля 1944 г. включена в состав 4-го Украинского фронта, 25 апреля — в состав 2-го Белорусского фронта 2-го формирования. В июле-августе поддерживала сухопутные войска в ходе Белорусской стратегической наступательной операции. В январе-апреле 1945 г. участвовала в Восточно-Прусской и Восточно-Померанской стратегических операциях.

За годы войны армия произвела свыше 300 тыс. самолето-вылетов, участвовала в трех воздушных операциях. За боевые отличия в годы войны 17 ее частей и соединений преобразованы в гвардейские, 76 награждены орденами, 46 удостоены почетных наименований.

За проявленные мужество и героизм 41 360 авиаторов награждены орденами и медалями. 277 летчиков и штурманов удостоены звания Героя Советского Союза. Летчики Д.Б. Глинка, А.Н. Ефимов, П.М. Камозин стали ими дважды, А.И. Покрышкин в рядах армии был награжден третьей медалью «Золотая Звезда».

Командующие: генерал-майор авиации, с марта 1943 г. генерал-лейтенант авиации, с октября 1943 г. генерал-полковник авиации Вершинин К.А. (май-сентябрь 1942 г. и май 1943 г. — до конца войны); генерал-майор авиации Науменко Н.Ф. (сентябрь 1942 г. — май 1943 г.).

Начальники штаба: генерал-майор авиации Устинов А.З. (май 1942 г. — июль 1944 г.); генерал-майор авиации Алексеев А.Н. (июль 1944 г. — до конца войны).