Сформирована 29 июля 1942 г. в составе Брянского фронта 2-го формирования. В нее вошли 286-я истребительная, 225-я штурмовая и 284-я бомбардировочная авиадивизии и три отдельных авиаполка.

Боевое крещение получила осенью 1942 г., участвуя в оборонительных сражениях под Воронежем и в ликвидации плацдарма противника на левом берегу р. Дон. Зимой 1943 г. поддерживала войска фронта в Воронежско-Касторненской наступательной операции.

В июле-августе 1943 г. участвовала в Орловской стратегической наступательной операции.

В сентябре поддерживала войска фронта в Брянской наступательной операции.

В октябре армия передана в состав Прибалтийского (с 20 октября 2-й Прибалтийский) фронта. Поддерживала наступление его войск на витебско-полоцком направлении, затем участвовала в разгроме соединений южного крыла группы армий «Север», содействовала успешному форсированию р. Великая.

В летних наступательных операциях 1944 г. армия содействовала войскам фронта при прорыве сильно укрепленной обороны противника в районе Идрица, Себеж, Дрисса, участвовала в Режицко-Двинской операции, в сентябре-октябре принимала участие в боях за освобождение Латвии, ее столицы г. Рига.

В 1945 г. в составе 2-го Прибалтийского, с 1 апреля Ленинградского фронтов армия участвовала в ликвидации курляндской группировки противника.

За годы Великой Отечественной войны 15-й воздушной армией было совершено около 160 тыс. самолето-вылетов, она участвовала в четырех воздушных операциях.

За успешное выполнение заданий командования ряд соединений и частей армии получил почетные наименования и награжден орденами. 19 975 воинов были награждены орденами и медалями, 72 летчикам и штурманам присвоено звание Героя Советского Союза, а А.К. Рязанов и И.Н. Степаненко удостоены этого звания дважды.

Командующие: генерал-майор авиации Пятыхин И.Г. (июль 1942 г. — май 1943 г.); генерал-лейтенант авиации, с августа 1944 г. генерал-полковник авиации Науменко Н.Ф. (май 1943 г. — до конца войны).

Начальники штаба: полковник Семенов И.С. (июль-август 1942 г.); генерал-майор авиации Саковнин А.А. (август 1942 г. — до конца войны).