במהלך מלחמת לבנון הראשונה הופלו על ידי חיל האוויר הישראלי כ-100 מטוסים סוריים, מבלי שאיבד אף מטוס בקרבות אוויר. טייסי חיל האוויר הישראלי הפילו 80 מטוסים סוריים בקרבות אוויר, והשאר הופלו באש נ"מ וגורמים נוספים.
ב-6 ביוני 1982 הופל מטוס "סקייהוק" של חיל האוויר באש מהקרקע וטייסו, אהרון אחיעז נפל בשבי אש"ף. הוא הוחזר ב-20 באוגוסט. מסוק "אנפה", שהיה במשימת פינוי פצועים, הופל באש נ"מ סמוך לנבטייה.
ב-9 ביוני, היום הרביעי למלחמה, פתח חיל האוויר במבצע ערצב-19 לתקיפת מערך טילי הקרקע-אוויר הסורי בבקעת הלבנון. מטוסי החיל השמידו את סוללות הטילים תוך שעות ספורות בלבד. במהלך התקיפה התפתח קרב האוויר הגדול בעידן הסילון, שבו השתתפו כ-120 מטוסי קרב (מדגמי F-15 בז, F-16 נץ ו-F-4 פנטום) והופלו 29 מטוסי קרב סוריים. למחרת הופלו 30 מטוסים סוריים נוספים. אף מטוס מחיל האוויר הישראלי לא נפגע בקרבות האוויר.
במקביל, מסוקי AH-1 קוברה של חיל האוויר השמידו מאות כלי רק"מ סורים, לרבות עשרות טנקים, כולל מדגם טי-72.
ב-24 ביולי הופל בטיל קרקע-אוויר מטוס הפנטום של הטייס סרן גיל פוגל, והנווט רס"ן והם נטשו את המטוס. לאחר הגעתו לקרקע נלקח פוגל בשבי הסורי, ואילו כץ פגע בקרקע במהירות גבוהה, וככל הנראה נהרג במקום. לאחר שנתיים פוגל שוחרר במסגרת עסקת חילופי שבויים, שכללה גם את החזרת גופתו של כץ לארץ.
האינתיפאדה השנייה.
באינתיפאדה השנייה בלט חלקם של מסוקי הקרב של חיל האוויר בפעולות של סיכול ממוקד בהם חוסלו מאות מחבלים, כאשר עשרות מהם היו מחבלים בכירים (כגון מייסדי וראשי החמאס ברצועת עזה). נעשה שימוש נרחב בכטב"מים, בעיקר לצורכי מודיעין צבאי ולהספקת מודיעין חזותי בזמן אמת לסיכולים הממוקדים, ואת התקיפות עצמן ביצעו מסוקי AH-64 אפאצ'י עם טילי AGM-114 הלפייר ומסוקי "צפע" AH-1 קוברה עם טילי תמוז.
בנוסף לסיכולים הממוקדים תקפו מטוסי ומסוקי קרב מתקני מחבלים, כגון מעבדות נפץ, מחרטות לייצור רקטות "קסאם" ומשגרי "קסאם".
את הפעולות המוצלחות והשינויים הללו הוביל האלוף דן חלוץ, שגם שם דגש על נוהלי בטיחות והוריד באופן משמעותי את התאונות בחיל. בעקבות ההצלחה הגדולה של חיל האוויר בלחימה בטרור זכו החיל, מפקדו וטייסיו להערכה רבה. דן חלוץ הועלה לדרגת רב-אלוף ומונה לרמטכ"ל.
מפקד חיל האוויר שהחליף את חלוץ, האלוף אליעזר שקדי, המשיך בשילוב פעילות חיל האוויר עם פעילות כוחות הקרקע, דבר שבא להבשלה בטקטיקת "הבועה האווירית" שנחלה הצלחה רבה במבצע ימי תשובה (כ-90 מחבלים הרוגים) ובמבצע גשמי קיץ (למעלה מ-270 מחבלים הרוגים). במבצעים אלה חיפו מסוקי הקרב על כוחות הקרקע והשמידו חוליות נ"ט וחוליות קסאם בשעה שמטוסי חיל האוויר תקפו מטרות תשתית.
מלחמת לבנון השנייה.
במלחמת לבנון השנייה ביצעו מטוסי הקרב של חיל האוויר מספר חסר תקדים של 10,337 גיחות והשמידו אלפי מטרות תשתית ויעדים של ארגון חזבאללה בביירות ובדרום לבנון, בהם: גשרים, מפקדות, בונקרים, מחסני אמל"ח, משגרי רקטות, צירי תנועה ראשיים, משאיות רקטות מסוריה וכלי רכב של הארגון, כשגולת הכותרת של תקיפות אלו היא מבצע משקל סגולי להשמדת מערך הרקטות ארוך הטווח של החזבאללה, ביומה השני של המלחמה. באחד משלבי המבצע, היו למעלה מ-100 מטוסים באוויר בו זמנית. מסוקי הקרב ביצעו למעלה מ־2,400 גיחות וחיפו על כוחות הקרקע שפעלו בדרום לבנון. מסוקי הסער של החיל ביצעו 2,051 גיחות שכללו פינוי פצועים תחת אש מהקרבות בדרום לבנון והנחתת יחידות קומנדו לפעולות בעורף לבנון. מטוסי התובלה ביצעו 1,263 גיחות. חיל האוויר הפעיל גם באופן נרחב כטב"מים על מנת לאתר מטרות ולאכן למטוסים משגרי רקטות בזמן אמת, אותם השמידו מטוסי הקרב. בסך הכול שוגרו 1,502 גיחות של כלי טיס בלתי מאוישים שהסתכמו ב-16,418 שעות טיסה. מטוסי חיל האוויר כתשו מהאוויר את רובע הדאחייה של חזבאללה בדרום ביירות והשמידו את מפקדות הארגון ובתיהם של ראשיו.
למעלה מ-20 מבצעי קומנדו בוצעו על ידי חיל האוויר. ב"מבצע חד וחלק" פשטו סיירת מטכ"ל ויחידת שלדג על מפקדת חזבאללה שמוקמה בבית חולים בבעלבכ, הרגו כ-20 מחבלים, שבו כמה ולקחו שלל חומר מודיעיני.
בנוסף למשימות ההתקפיות, עסקו טייסות הבלקהוק UH-60 בפינויי פצועים, לעיתים תחת אש כבדה.
במהלך הלחימה אירעו מספר תאונות מבצעיות בחיל האוויר. בתאונות אלה ניזוק מטוס F-16I ("סופה") אחד (שנפגע בעת ההמראה), אבדו שני מסוקי אפאצ'י ("פתן") שהתנגשו זה בזה, מסוק אפאצ'י-לונגבאו ("שרף") התרסק כתוצאה מכשל טכני ברוטור הזנב, ושלושה כטב"מים, כתוצאה מתאונות אלו נהרגו שלושה טייסים ועוד שלושה נפצעו קשה. עוד כשל מבצעי היה ההפצצה של בניין הסמוך לבניין ובו רוכזו 57 אזרחים לבנונים בכפר קאנא, דבר שגרם לקריסת המבנה ומותם של 28. הפעולה גרמה לגינויים כלפי ישראל ברחבי העולם.
ב-12 באוגוסט 2006 לפנות בוקר, הטיס חיל האוויר כוח גדול של צנחנים באמצעות יותר מ-50 מסוקים אל עומק השטח, במה שמוגדר כמבצע ההנחתה הגדול בתולדות צה"ל מאז מלחמת יום הכיפורים. באותו יום הופל מסוק מסוג יסעור על ידי חזבאללה, באמצעות טיל SA-16 שחזבאללה כינה "וועד". לאחר שהספיק להוריד את הלוחמים, המריא המסוק מהמקום ואז נפגע. חמישה אנשי צוות אוויר נהרגו.
לקראת סיום המלחמה הפילו מטוסי F-16 מדגם "ברק" שני מזל"טים של החזבאללה (המזל"טים מדגם אבאביל תוצרת איראן).
על פעילותם במלחמה קיבלו טייסי חיל האוויר עיטור המופת אחד וארבעה צל"שי רמטכ"ל. שתי טייסות מסוקי הבלק-הוק של החיל קיבלו צל"ש יחידתי: טייסת 123 ("ציפורי המדבר") וטייסת 124 ("החרב המתהפכת") על פועלן לחילוץ פצועים.
כשנה אחרי המלחמה, ב-6 בספטמבר 2007, הופצץ והושמד כור גרעיני סורי בידי חיל האוויר הישראלי. בתקיפה השתתפו 4 מטוסי F-15I רעם ו-4 מטוסי F-16I סופה ולפי פרסומים זרים גם מטוס לוחמה אלקטרונית וכוח של יחידת שלדג על הקרקע שסימן למטוסי הקרב בלייזר את הכור הגרעיני.
מבצע עופרת יצוקה.
מבצע עופרת יצוקה נגד החמאס וירי רקטות לעבר ישראל נפתח ב-27 בדצמבר, בשעות הבוקר המאוחרות, והחל בגל הפצצות אווירית כבדות של חיל האוויר באמצעות מטוסי קרב (מדגמי F-15, F-16) ומסוקי קרב (מדגמי AH-1 קוברה ו-AH-64 אפאצ'י). בשני גלי ההפצצה הראשונים נפגעו 100 מטרות. במכה הראשונה נהרגו למעלה מ-155 אנשי חמאס ואנשי ביטחון פלסטינים. באותו יום תקף חיל האוויר עוד 70 מטרות ברצועת עזה. הפלסטינים דיווחו על כ-270 הרוגים וכ-750 פצועים רובם פעילי חמאס ומיעוטם אזרחים. את ההפצצה המסיבית ביום הראשון של המבצע, בו נפגעו מטרות ופעילי חמאס רבים תכנן האלוף אליעזר שקדי, לשעבר מפקד חיל האוויר, בסיוע אמ"ן והשב"כ.
ב-28 בדצמבר, למחרת, תקף חיל האוויר הישראלי 40 מנהרות תת-קרקעיות בציר פילדלפי. צה"ל העריך שהמהלך שיבש את הזרמת אמצעי הלחימה דרך מנהרות ממצרים.
ב-29 בדצמבר, היום השלישי למבצע, המשיך צה"ל לתקוף כ-100 יעדים נוספים בעזה, וחיסל בכירים בחמאס ובג'יהאד האסלאמי.
תקיפות אוויריות של מטרות טרור ומשרדי חמאס נמשכו גם בימים הבאים. ב-31 בדצמבר הרג חיל האוויר את עמאר אבו ע'לולא, בכיר במערך הרקטי של הג'יהאד האסלאמי, ו-3 פעילי טרור נוספים, כאשר תקף מחסן אמל"ח בח'אן יונס. ב-1 בינואר 2009 חוסל ניזאר ריאן, מספר 3 ב"זרוע המדינית" של החמאס, שהיה מעורב בפיגועי טרור כנגד ישראלים, בהפצצת ביתו במחנה הפליטים ג'בליה. בחיסול נהרגו עוד 18 אנשים, רובם בני משפחתו של ריאן. הבניין שבו גר שימש כמפקדה ומרכז תקשורת, מחסן אמל"ח ותחמושת, וכן הסתיר פתח של מנהרה.
אלוף פיקוד הדרום, יואב גלנט, הציג שינוי בשיטת הלחימה של צה"ל בפעילי הטרור:
גם כשהחלה הפעולה הקרקעית המשיך חיל האוויר בתקיפת מטרות טרור ברצועה ומתן סיוע באש ובמודיעין לכוחות הקרקע.
ב-15 בינואר ביצע חיל האוויר הישראלי סיכול ממוקד בבכירי חמאס וחיסל את סעיד סיאם, שר הפנים בממשלת חמאס, את איאד סיאם אחיו, שגם הוא בכיר בחמאס, וסלאח אבו שרח, המקשר בין הזרוע המדינית לזרוע הצבאית של חמאס.
לאחר מבצע עופרת יצוקה.
במרץ 2009 פרסמה רשת CBS כי כלי טיס של חיל האוויר הישראלי תקפו שיירת משאיות אמל"ח שהועברה מאיראן לחמאס דרך סודאן. בתקיפה, שבוצעה בשטח סודאן, הושמדו 17 משאיות ונהרגו 39 מאנשי השיירה. כמו כן, הגיעו דיווחים כי חיל האוויר הפציץ גם ספינת נשק איראנית שעגנה בעיר הנמל פורט סודאן. לדיווחים אלה לא ניתן כל אישור רשמי בישראל, אך ראש הממשלה, אהוד אולמרט, התייחס ככל הנראה לתקיפה כשאמר במסיבת עיתונאים ביום שבו פורסם הדבר כי ישראל פועלת לחיזוק ההרתעה במקומות קרובים ובמקומות רחוקים.
ב-2011 הפכה מערכת "כיפת ברזל" למבצעית ורשמה יירוטי בכורה מוצלחים באפריל 2011. המערכת, שמופעלת על ידי מערך ההגנה האווירית, זכתה לפרס ביטחון ישראל 2012 בעקבות תפקודה המוצלח במספר עימותים והסלמות סביב רצועת עזה, בהם יירטה למעלה מ-100 רקטות גראד והצילה חיים רבים.
ב-23 באוקטובר 2012 אירע פיצוץ גדול במפעל הנשק "ירמוך" שבסודאן בו הושמד המפעל ומספר רב של רקטות וטילי קרקע-קרקע. הפיצוץ יוחס להפצצה מהאוויר שביצע חיל האוויר הישראלי, אך ישראל נמנעה מלקחת אחריות לתקיפה.
מבצע עמוד ענן.