Сформирована 5 августа 1941 г. (директива Ставки ВГК от 2 сентября 1941 г.) в Московском военном округе на базе 44-го стрелкового корпуса как отдельная армия с непосредственным подчинением Ставке ВГК. В нее вошли 285, 286, 310 и 314-я стрелковые дивизии, 122-я танковая бригада, 119-й отдельный танковый батальон и ряд авиационных, артиллерийских и других частей. После сформирования была переброшена на северо-западное направление и заняла оборону по правому берегу Волхова. С 26 сентября войска армии в составе Ленинградского фронта вели наступательные бои в целях прорыва блокады Ленинграда в районе Колпино. Во второй половине октября- декабре участвовала в Тихвинских оборонительной и наступательной операциях, сыгравших важную роль в срыве планов противника по осуществлению полной изоляции Ленинграда. В 1942 г. вела боевые действия на волховском направлении в составе Ленинградского, с 9 июня Волховского фронтов; принимала участие в Любанской операции. В 1943 г. войска армии продолжали вести оборонительные бои в районе северо-восточнее Любани, во взаимодействии с войсками 4-й армии участвовали в ликвидации киришского выступа в системе обороны противника. В январе-феврале 1944 г. 54-я армия в составе Волховского (с 15 февраля- Ленинградского) фронтов принимала участие в Ленинградско-Новгородской операции. В ходе нее прорвала оборону противника на любанском направлении и продвинулась на 100-110 км. После разгрома противника под Лугой полевое управление армии переброшено в район Новгорода, где объединило 14,111 и 119-й стрелковые корпуса, ряд танковых, артиллерийских, зенитных артиллерийских и инженерных частей. С 17 февраля войска армии наступали на островском направлении, освободили большое количество населенных пунктов, в том числе Дно (24 февраля) и Порхов (26 февраля). В начале марта, встретив упорное сопротивление врага на рубеже Псковско-Островского укрепленного района, перешли к обороне.

24 апреля армия передана 3-му Прибалтийскому фронту, в составе которого принимала участие в Псковско-Островской и Рижской наступательных операциях.

По решению Ставки ВГК от 10 октября 1944 г. соединения 54-й армии переданы в состав 1-й ударной и 61-й армий, а ее полевое управление с армейскими частями выведено в резерв фронта, затем — в резерв Ставки ВГК (16 октября) и 31 декабря 1944 г. расформировано.

Командующие: Маршал Советского Союза Кулик Г.И. (сентябрь 1941 г.); генерал-лейтенант Хозин М.С. (сентябрь-октябрь 1941 г.); генерал-майор Федюнинский И.И. (октябрь 1941 г. — апрель 1942 г.); генерал-майор Сухомлин А.В. (апрель 1942 г. — март 1943 г.); генерал-майор, с сентября 1943 г. генерал-лейтенант Рогинский С.В. (март 1943 г.-декабрь 1944г.).

Члены Военного совета: бригадный комиссар Сычев В.А. (сентябрь 1942 г. — февраль 1942 г.); бригадный комиссар, с декабря 1942 г. генерал-майор Холостов Д.И. (февраль 1942 г. — март 1943 г.); генерал-майор Емельяненко Г.С. (март 1943 г. — декабрь 1944 г.).

Начальники штаба: генерал-майор Сухомлин А.В. (сентябрь 1941 г. — январь 1942 г.); генерал-майор Березинский Л.С. (февраль-июнь 1942 г.); полковник, с августа 1942 г. генерал-майор Викторов И.М. (июнь 1942 г. — июнь 1944 г.); генерал-майор Крылов В.А. (июнь-июль 1944 г.); генерал-майор Кондратьев А.К. (июль-ноябрь 1944 г.).