ב-1953 הוקם גדוד רביעי שהפעיל תותחי 3.7 אינץ מונחי מכ"ם ובמהלך שנות השישים קלט חיל התותחנים מערכת של תותחי נ"מ מדגם בופורס L-70 קליבר 40 מ"מ מונחי מכ"ם. באותה תקופה הפעיל הפיקוד את המכ"ם הגרמני סופרפלדרמאוס , שמשמעות שמו "עטלף על" בגרמנית. מכ"ם זה היה המכ"ם הראשון שהופעל בצה"ל, ועל שמו נקבע סמלו של הפיקוד.
במלחמת סיני נפרסו כוחות הפיקוד סביב אתרים אסטרטגיים ברחבי המדינה וליוו את הכוחות שנכנסו לחצי האי סיני.
הקמת מערך הנ"מ בחיל האוויר.
במהלך שנות ה-60 התפתח הפולמוס סביב שייכותו של פיקוד הנ"מ לחיל התותחנים. חיל האוויר, שחשש מתאונות כתוצאה מחוסר שליטה על יחידות הנ"מ הפזורות בשטחיו, סבר כי הפיקוד צריך להיות תחת פיקודו. כאשר סוכמה עסקה לרכישת טילי "הוק" אמריקניים ב-1963. מפקד חיל האוויר, האלוף עזר ויצמן, טען כי המערכת צריכה להיקלט בחיל האוויר משום שרק המערך הטכני של חיל האוויר מסוגל לקלוט את המערכת ולענות על הצרכים הטכניים המורכבים של הפעלתה. בנוסף, הייתה התנגדות בחיל האוויר למערך טילי אוויר שיסכנו את מטוסיו שיהיה בידי חיל התותחנים. המערכת נקלטה בחיל האוויר ב-1965 והייתה הצעד הראשון במעברו של הפיקוד לחיל האוויר. באותה תקופה התקיימו זה לצד זה פיקוד הנ"מ בחיל התותחנים ומפקדת הנ"מ בחיל האוויר.
אימוץ מערכת ה-MIM-23 הוק.
ממשלת ישראל בראשותו של דוד בן-גוריון פנתה לארצות הברית בבקשה לקנות טילי נ"מ עקב התעצמות חילות האוויר של ארצות ערב כבר ב-1961, הבקשה נדחתה. בפנייתו בשנית ב-27 בספטמבר 1962 אישר הממשל האמריקאי בראשות הנשיא ג'ון קנדי את מכירתה של מערכת טילי הנ"מ MIM-23 הוק לישראל. בקליטת מערכת הטילים היו מעוניינים גם חיל התותחנים וגם חיל האוויר.
המערכת נועדה לספק מענה למשימת הגנה על אתרים אסטרטגיים כגון הכור בדימונה ובסיסי חיל האוויר, שעד לקליטתה התכוון חיל האוויר לבצע באמצעות תותחי 40 מ"מ בלבד. שתי המערכות ביחד נתנו מענה מתאים למשימה. משלחת קציני צה"ל בראשות אל"ם משה תמיר, אז מפקד פיקוד הנ"מ בחיל התותחנים, יצאה בינואר 1963 לבסיס בית הספר לנ"מ של צבא גרמניה המערבית אליו נשלחו סוללות הטילים האמריקאיות לבחון אותם ולבחון את אפשרות קליטת תותחי ה-L-70 המתקדמים. במקביל, נשלחה משלחת קצינים נוספת מחיל האוויר ומחיל התותחנים להשתלמות בת 18 חודשים בפורט בליס , טקסס, ארצות הברית בה למדו כיצד להפעיל את המערכת. העסקה נעשתה בחשאי הן מטעמי סודיות והן בגלל רגישות היחסים הדיפלומטיים עם גרמניה.
המערכת נקלטה בחיל האוויר במרץ 1965. במסגרת קליטתה של המערכת הוקם בחיל האוויר הישראלי מערך הקטק"א, קצין טילי קרקע אוויר, והיחידות בפיקודו כונו "יחידות טילי נ"מ" או בקיצור "יטנ"מ". הוקמה יטנ"מ 138 שתפקידה היה לסייע בהכשרות טכנאים בבית הספר הטכני של חיל האוויר ב-15 בפברואר 1965, בנוסף ל-2 סוללות שהיו בכוננות לפרוס מבצעית בצפון הארץ. בידי חיל האוויר היו סך הכל 5 סוללות הוק, סוללה אחת הוצבה בכור בדימונה, ו-2 הסוללות הנותרות הוקצו לגדוד 136, שהוצב בנמל תעופה בן-גוריון והיה אחראי על הגנת דרום הארץ.
במסגרת השירות בחיל האוויר ביצעה מערכת ההוק מספר יירוטים היסטוריים, ראשונים מסוגם בעולם.
מלחמת ששת הימים.
עקב הצלחתו של מבצע מוקד של חיל האוויר, שפתח את המלחמה, מרבית הלוחמה האווירית במלחמה הייתה בתקיפה וביירוט קדמי בשטח מדינות האויב. למרות זאת, הצליחו חילות האוויר של מצרים, סוריה ועיראק לבצע מספר חדירות לשטח ישראל שנענו על ידי כוחות הנ"מ.
פיקוד הנ"מ בחיל התותחנים.
יום הראשון ללחימה, ה-5 ביוני 1967, בשעה 11:50 יצאו 12 מטוסי מיג 17 סוריים לתקיפת מטרות בישראל. המטוסים הסורים הצליחו לפגוע במפקדה צבאית הסמוכה לכפר החורש, במנחת מגידו, באשד-כינרות, בדגניה א' ובסכר על הירדן, אולם נבלמו בקרבות אוויר ובאש סוללת נ"מ שהייתה במגידו הופלו שלושה מהם וההתקפה נהדפה.
בשעה 6:00 ב-6 ביוני 1967, יומה השני של המלחמה, חדר מטוס טופולוב עיראקי להפצצה בצפון ישראל והפציץ את נתניה, צור משה, מנחת מגידו ואת שדה התעופה הצבאי רמת דוד. אף כי המטוס נקלט על ידי מערכות המכ"ם הישראליות, סברו כי הוא אחד מהמטוסים הישראלים ששבו מתקיפת שדות התעופה של מדינות ערב במסגרת מבצע מוקד. זמן קצר אחרי הפצצת נתניה נצפה המטוס טס מעל ג'נין לכוון בסיס רמת דוד, מיידית פתחו סוללות הנ"מ שבשדה באש על הטופולב שנפגע מאש תותח נ"מ ישראלי מדגם בופורס L-70. המטוס נפגע גם מטיל ששוגר ממטוס מיראז' ישראלי. כתוצאה מהפגיעות צלל הטופולב, הזדקר בגובה מטרים בודדים מעל לחורשה כשהוא גודע את גזעי העצים, התרומם מעט והתרסק על מחנה עמוס שליד העיר עפולה. בהתרסקות המטוס נהרגו 14 חיילי מילואים שישנו באותו הזמן באוהלים בשטח הבסיס, עשרות חיילים נוספים נפצעו ונזק נגרם למבנים.
מערך הנ"מ בחיל האוויר.
מערכת ההוק החדשה, שנקלטה בחיל פחות משנתיים לפני פרוץ המלחמה, הייתה בשלב של צבירת חימוש טילים, שהגיעו בשמישות ירודה מארצות הברית. מפעל חימוש שנערך בחודשים שקדמו למלחמה הביא לידי סד"כ של 80 טילי הוק.
ביום הראשון למלחמה, 5 ביוני 1967, בוצע הירי הקרבי הראשון והפלה ראשונה של טיל הוק בעולם, מטוס אוראגן ישראלי פגוע טס לכוון הקריה למחקר גרעיני בדימונה. הטייס הפגוע, יורם הרפז ככל הנראה חזר מתקיפה בירדן, התנגש במעופו בקווי חשמל והתחשמל. בהתקרבו לקריה למחקר גרעיני לא הזדהה והופל על ידי סוללת טילי הוק שהגנה על הקריה למחקר גרעיני.
מלחמת ההתשה.
אחר כיבוש חצי האי סיני נשלחו סוללות מגדוד 136 ו-138 לפרוס בסמוך לצירי תנועה ולתעלת סואץ ולהגן כנגד מטוסי אויב המאיימים על מוצבי צה"ל. במהלך מלחמת ההתשה השתתף מערך הנ"מ ופיקוד הנ"מ במאמצים ליירט מטוסי אויב שחדרו למעופי תקיפה. ב-21 במאי 1969 חדר מטוס מיג 21 סורי לשטח ישראל ויורט על ידי סוללת הוק של חיל האוויר. הייתה זו הפלה מבצעית של מטוס אויב ראשונה בעולם של מערכת זו. ב-21 ביולי 1969, במסגרת פעולת חיל האוויר שכונתה קרבות טקסס ואריזונה, הופלו 2 מטוסי חיל האוויר המצרי על ידי אש תותחי נ"מ. ב-11 בספטמבר 1969, במהלך יום קרב אווירי שהתחולל לכל אורך אותו היום, יירטו כוחות הנ"מ 3 מטוסי אויב, אחד מהם על ידי סוללת הוק.
סך הכל, יירטו כוחות הנ"מ 15 מטוסי אויב מצרים במלחמת ההתשה, 13 מתוכן על ידי סוללות ההוק של חיל האוויר, שהוכיח את יעילות המערכת.
העברת פיקוד הנ"מ לחיל האוויר ואיחוד המשימה.
במהלך מלחמת ההתשה, במסגרת מתקפה אווירית מוצלחת של חיל האוויר המצרי כנגד המעוזים בקו בר-לב, נחשפה נקודת התורפה בהגננת הנ"מ על הכוחות הקרקעיים. טילי ההוק לא הספיקו ליירט את המטוסים שהתקיפו בגיחה קצרה ונמוכה, ותותחי ה-40 מ"מ שהופעלו על ידי מערך הנ"מ בחיל האוויר היו ממוקמים בסמוך לבסיסי חיל האוויר, ורחוק מדי מכדי לתת מענה למעוזים האחרים. התותחים הנייחים שהיו בידי פיקוד הנ"מ של חיל התותחנים לא הצליחו לספק מענה מתאים לאיום זה. ביוזמה בעת מלחמה, הרכיב מערך הנ"מ בחיל האוויר תותחי 20 מ"מ שהורדו ממטוסי אורגן ישנים על משוריינים שהיו בבסיסי חיל האוויר ומהם הקים את סוללת תותחי הנ"מ המתנייעים הראשונה בצה"ל. בוויכוח שפרץ על הפיקוד המתאים לסוללה הזו בין חיל התותחנים לחיל האוויר פסק הרמטכ"ל, רא"ל חיים בר-לב, על העברת כל כוחות הנ"מ לפיקודו של חיל האוויר.
בפברואר 1971 פורסמה פקודת הרמטכ"ל והוקמה מפקדת נ"מ מקצועית בחיל האוויר שריכזה תחתיה את כלל כוחות הנ"מ בצה"ל, שבראשה עמד אל"ם משה תמיר.
1971–2011: מערך הנ"מ.
מלחמת יום כיפור.
בשונה ממלחמות קודמות, המערך הטס בחיל האוויר נחל תבוסות ראשוניות במהלך מלחמת יום כיפור ואבדות רבות בתחילתה. הסיבות המשוערות לכך הן חוסר מוכנות החיל עקב ההפתעה בפריצת המלחמה והחלטות שגויות של הדרג המדיני-ביטחוני שגרם למטוסי חיל האוויר לפעול באזורים ללא עליונות אווירית בשטח האויב ובשטח ישראל לאורך רוב המלחמה. כתוצאה מכך, השפעת סוללות הנ"מ על הלוחמה האווירית הייתה משמעותית יותר ממלחמות קודמות, ויש שטוענים כי הייתה מכרעת ביכולת צה"ל לנצח במלחמה. כך למשל, ב-3 הימים הראשונים ללחימה בסיני יירט מערך הנ"מ שליש מכלל המטוסים המצרים שהופלו בזירה, ביניהם בין 60 ל-80 מטוסים ומסוקי קרב ו-5 טילים מצריים.
לפני המלחמה התנהלו מספר קרבות אווירים בשתי הזירות, בהם השתתפו סוללות הנ"מ. ב-5 באוקטובר 1973, יום לפני המלחמה בוצע ירי טיל הוק כנגד מטוס מיג 17 מצרי שהגיח לטיסת צילום מעבר לתעלת סואץ. בעקבות האירוע הוגברה כוננות בכלל סוללות הנ"מ בסיני. לכל אורך הלחימה הפילו כוחות הנ"מ 177 כלי טיס בימי המלחמה, ביניהם 5 טילים מצריים, את רובם המכריע באמצעות תותחים.
זירת רמת הגולן.
בשעה 13:50 התקבל דיווח במטה חיל האוויר על המראות מטוסים ראשונות באותו יום. טרם זוהו מטוסים במתאר תקיפה. סוללת ההוק היחידה בכוננות, ביריה, חיפשה מיוזמתה בערוץ נחל בלבנון המוביל ליב"א בהר מירון ממנו נצפו בעבר מטוסים המנסים להתחמק מגילוי מכ"ם. בשעה 13:51 זוהתה נעילה על זוג מטוסים מהירים מסוג מיג 17 הטסים בגובה נמוך, מתאר תקיפה. ב-13:52 ניתנה לסוללה הרשאת אש חופשית. כנגד המטוסים שוגרו שני טילים, והמטוסים יורטו מעל לבנון, 18 ק"מ מהסוללה. לאחר היירוט נצפו מטוסים נוספים הטסים באותו ערוץ נחל ונסוגו בחזרה לסוריה בעקבות היירוט. היה זה המטוס הראשון שייורט במלחמה.