Сформирована на базе 9-го стрелкового корпуса 20 августа 1941 г. (директива Ставки ВГК от 14 октября 1941 г.) для обороны Крыма с непосредственным подчинением Ставке ВГК (на правах фронта). В нее вошли 9-й стрелковый корпус, 271-я, 276-я стрелковые, 40, 42 и 48-я кавалерийские дивизии, 1, 2, 3 и 4-я крымские дивизии народного ополчения и ряд отдельных частей. В оперативном подчинении армии находился Черноморский флот. После сформирования выполняла задачу по обороне Крыма (Арабатской стрелки, Чонгарского перешейка, южного берега Сиваша и Ишуньских позиций). С 22 октября подчинена командованию войск Крыма. С 18 октября вела упорные оборонительные бои с превосходящими силами противника на Ишуньских позициях, Чонгарском, а затем на Керченском перешейках. 30 октября получила задачу оборонять главную военно-морскую базу Черноморского флота — Севастополь и подступы к Керченскому проливу.

19 ноября выделена из состава войск Крыма в отдельную армию, эвакуирована на Таманский полуостров и 22 ноября включена в состав войск Закавказского (с 30 декабря Кавказский) фронта. Занимала оборону на рубеже Темрюк, Тамань, Анапа и готовилась к проведению Керченско-Феодосийской десантной операции. В ходе нее войска армии во взаимодействии с 44-й армией и кораблями Черноморского флота в конце декабря нанесли поражение керченской группировке противника, освободили г. Керчь (30 декабря) и к исходу 2 января 1942 г. вышли на рубеж Киет, Новая Покровка, Коктебель, где перешли к обороне.

28 января 1942 г. армия включена в состав Крымского фронта. В первой половине мая под ударами превосходящих сил противника отошла к Керчи, а затем была эвакуирована из Крыма на Кубань, где 20 мая армия включена в состав Северо-Кавказского фронта и до середины июня выполняла задачу по прикрытию побережья Азовского моря на участке Батайск, Азов, Темрюк. В июне была перегруппирована на Дон, до 10 июля подготавливала оборонительный рубеж от Верхнекурмоярской до Константиновской. 25 июля включена в состав Южного фронта, 29 июля переподчинена Северо-Кавказскому фронту. В конце июля вступила в бои с наступавшими войсками противника в большой излучине Дона. После тяжелых оборонительных боев в августе была вынуждена отойти на рубеж Малые Дербеты, озера Цаца, Барманцак, Сарна, который удерживала до перехода советских войск в контрнаступление под Сталинградом (Волгоград). Боевые действия вела в составе Сталинградского (с 31 июля по 6 августа), Юго-Восточного (с 7 августа по 30 сентября) и Сталинградского 2-го формирования (с 30 сентября) фронтов. В сентябре войска армии участвовали в боевых действиях по сковыванию сил противника южнее Сталинграда. С 19 ноября участвовала в контрнаступлении советских войск под Сталинградом, в ходе которого наносила удар на котельниковском направлении. К 30 ноября ее войска достигли рубежа Шестаков, Самохин, Кенкря, Обильное, на котором до середины декабря вели тяжелые оборонительные бои с группой войск противника, пытавшейся прорваться из района Котельниково к окруженной под Сталинградом группировке немецких войск. После отражения ударов противника во второй половине декабря армия во взаимодействии с соединениями и частями 2-й гвардейской и 28-й армий наступала на сальском направлении, в январе-феврале 1943 г. в составе Южного фронта 2-го формирования (с 1 января) участвовала в Ростовской наступательной операции. В марте выведена в резерв фронта и после перегруппировки на р. Северский Донец перешла к обороне на рубеже Красная Поляна, Нижний Нагольчик. В июле-сентябре вела наступательные бои на дебальцевском и запорожском, а в октябре — на мелитопольском направлениях. 20 октября переподчинена 4-му Украинскому фронту. В начале ноября частью сил форсировала Сиваш и овладела плацдармом на его южном берегу. Важным этапом боевого пути 51-й армии стало участие в Крымской операции 1944 г. Имея к ее началу в составе 1-й гвардейский, 10-й и 63-й стрелковые корпуса, две артиллерийские дивизии, 10 артиллерийских, два зенитных артиллерийских, два минометных, два танковых полка и другие соединения и части, армия прорвала оборону противника, перешла к преследованию его отступающих войск и силами подвижной группы (19-й танковый корпус, 21-я отдельная истребительно-противотанковая бригада) под командованием генерал-майора В.Н. Разуваева освободила г. Симферополь (13 апреля). В середине апреля главные силы 51-й армии вступили в бой на подступах к Севастополю. С 7 мая ее войска во взаимодействии со 2-й гвардейской и Отдельной Приморской армиями участвовали в штурме Севастополя, который был освобожден 9 мая. 20 мая выведена в резерв Ставки ВГК и перегруппирована в район Полоцк, Витебск. 1 июля включена в 1-й Прибалтийский фронт, в составе которого в июле-октябре участвовала в Белорусской, в сентябре-ноябре в Прибалтийской стратегических операциях. Войска армии успешно вели наступление на паневежско-митавском и шяуляйско-мемельском направлениях. В начале 1945 г. занимала оборону на либавском направлении в районе г. Скуодас. С 23 января по 1 февраля провела частную наступательную операцию по расширению плацдармов на правом берегу р. Барта. В феврале-апреле армия в составе 2-го Прибалтийского фронта (со 2 февраля) активными действиями сковывала противника, препятствуя его эвакуации из Курляндии. После 9 мая армия принимала капитуляцию курляндской группировки немецких войск.

Командующие: генерал-полковник Кузнецов Ф.И. (август-ноябрь 1941 г.); генерал-лейтенант Батов П.И. (ноябрь-декабрь 1941 г.); генерал-лейтенант Львов В.Н. (декабрь 1941 г. — май 1942 г.); генерал-майор Котов Г.П. (май 1942 г.); генерал-майор Кириченко Н.Я. (май-июнь 1942 г.); полковник Кузнецов А.М. (июнь-июль и сентябрь 1942 г.); генерал-майор Труфанов Н.И. (июль 1942 г. и октябрь 1942 г. — февраль 1943 г.); генерал-майор Коломиец Т.К. (июль-сентябрь и октябрь 1942 г.); генерал-лейтенант Захаров Г.Ф. (февраль-июль 1943 г.); генерал-лейтенант Крейзер Я.Г. (август 1943 г. -до конца войны).

Члены Военного совета: корпусной комиссар Николаев А.С. (август 1941 г. — май 1942 г.); полковой комиссар Самут (май-июнь 1942 г.); бригадный комиссар, с декабря 1942 г. генерал-майор Халезов А.Е. (июнь 1942 г. — ноябрь 1943 г.); генерал-майор, с ноября 1944 г. генерал-лейтенант Уранов В.И. (ноябрь 1943 г. — до конца войны).

Начальники штаба: генерал-майор Иванов М.М. (август-ноябрь 1941 г.); генерал-майор Шишенин Г.Д. (ноябрь 1941 г.); генерал-майор Савинов И.С. (ноябрь 1941 г. — январь 1942 г.); полковник, с мая 1942 г. генерал-майор Котов Г.П. (январь-июнь 1942 г.); полковник Кузнецов А.М. (июнь 1942 г. — апрель 1943 г.); генерал-майор, с октября 1944 г. генерал-лейтенант Дашевский Я.С. (апрель 1943 г. — до конца войны).