Сформирована 10 августа 1942 г. на основании приказа НКО СССР от 8 августа 1942 г. в составе 220-й и 283-й истребительных, 228-й и 291-й штурмовых авиадивизий и двух отдельных авиаполков.

Боевой путь начала в сентябре 1942 г. на сталинградском направлении. Действуя с 7 сентября в составе Сталинградского фронта, поддерживала его войска при обороне города.

В ноябре 1942 г. — январе 1943 г. участвовала в контрнаступлении советских войск под Сталинградом, воздушной блокаде окруженной группировки противника и ее разгроме.

В феврале армия перебазирована в район Курска, где с 15 февраля вошла в состав Центрального фронта 2-го формирования (с 20 октября Белорусской), в июле-августе поддерживала и прикрывала с воздуха войска фронта в Курской битве, при освобождении Левобережной Украины и форсировании Днепра.

В ходе стратегического наступления осенью 1943 г. и зимой 1943- 1944 гг. поддерживала советские войска на конотопско-киевском, черниговско-мозырском и гомельско-бобруйском направлениях, внесла большой вклад в освобождение Левобережной Украины и восточных районов Белоруссии.

С 1944 г. до конца войны армия последовательно входила в состав 1-го Белорусского фронта (с 24 февраля), Белорусского фронта 2-го формирования (с 6 апреля), 1-го Белорусского фронта 2-го формирования (с 16 апреля).

В июне-июле 1944 г. участвовала в Белорусской стратегической операции, в окружении и разгроме крупной группировки противника в районе Бобруйска.

Не менее значительную роль сыграла 16-я воздушная армия в окружении, разгроме минской группировки противника и последующем преследовании его отходивших войск.

Во второй половине 1944 г. части и соединения армии участвовали в освобождении восточных районов Польши; в январе-феврале 1945 г. в ходе Варшавско-Познаньской операцию поддерживали действия войск фронта по овладении Варшавой, в борьбе за плацдармы на Одере.

В феврале-апреле приняла участие в Восточно-Померанской, а в апреле-мае — в Берлинской стратегических операциях.

За годы Великой Отечественной войны армия совершила около 280 тыс. самолето-вылетов, участвовала в трех воздушных операциях.

За высокое воинское мастерство, отвагу и героизм личного состава свыше 27 500 авиаторов награждены орденами и медалями, более 200 из них стали Героями Советского Союза, летчики А.Е. Боровых, В.М. Голубев и Е.Я. Савицкий удостоены этого звания дважды, а И.Н. Кожедуб — трижды.

Командующие: генерал-майор авиации Степанов П.С. (август-сентябрь 1942 г.); генерал-майор авиации, с января 1943 г. генерал-лейтенант авиации, с мая 1944 г. генерал-полковник авиации Руденко С.И. (сентябрь 1942 г. — до конца войны).

Начальники штаба: полковник, с августа 1943 г. генерал-майор авиации Белов Н.Г. (август-октябрь 1942 г.); генерал-майор авиации Косых М.М. (октябрь 1942 г. -апрель 1943 г.); генерал-майор, с августа 1944 г. генерал-лейтенант авиации Брайко П.И. (апрель 1943 г. — до конца войны).