Сформирована 6 июня 1942 г. на основании приказа НКО СССР от 3 июня 1942 г. на базе управления, соединений и частей ВВС Северо-Кавказского фронта в составе 236, 237 и 265-й истребительных, 238-й штурмовой, 132-й бомбардировочной авиадивизий и двух авиаполков.

В июле-декабре поддерживала действия сухопутных войск в ходе Северо-Кавказской стратегической наступательной операции. 5 сентября включена в состав Закавказского фронта 2-го формирования, 4 февраля 1943 г. переподчинена командующему войсками Северо-Кавказского фронта 2-го формирования. В апреле 1943 г. во взаимодействии с 4-й воздушной армией и авиацией Черноморского флота участвовала в воздушном сражении за завоевание господства в воздухе на Кубани.

24 апреля выведена в резерв Ставки ВГК и перебазирована, включена в состав войск Степного военного округа (с 9 июля Степной, с 20 октября 2-й Украинский фронт).

Большой вклад в разгром войск противника 5-я воздушная армия внесла в ходе Белгородско-Харьковской стратегической наступательной операции и битвы за Днепр.

В 1944 г. армия принимала участие в Кировоградской, Корсунь-Шевченковской, Ясско-Кишиневской стратегической наступательных операциях, в 1945 г. в операциях по освобождению Югославии, Венгрии, Австрии и Чехословакии: Белградской, Будапештской, Венской и Пражской стратегических наступательных операциях.

За годы Великой Отечественной войны армия произвела около 180 тыс. самолето-вылетов, приняла участие в трех воздушных операциях.

За высокое боевое мастерство, героизм и мужество свыше 16 тыс. воинов армии награждены орденами и медалями. 139 летчиков и штурманов удостоены звания Героя Советского Союза, а Н.Д. Гулаеву, К.А. Евстигнееву, С.Д. Луганскому и Г.А. Речкалову это звание присвоено дважды.

Командующий генерал-лейтенант авиации, с марта 1944 г. генерал-полковник авиации Горюнов С.К. (июнь 1942 г. — до конца войны).

Начальники штаба: генерал-майор авиации Синяков С.П. (июнь 1942 г. — июль 1943г.); генерал-майор авиации, с сентября 1944 г. генерал-лейтенант авиации Селезнев Н.Г. (июль 1943 г. — до конца войны).