לכוחות האוויריים היה תפקיד חשוב בלחימה על פני השטח הנרחב של המדבר המערבי. אף על פי שהיקף העימות בצפון אפריקה לא השתווה לרמת הקרבות שהתחוללו בחזית המזרחית או המערבית, הייתה לתעלת סואץ ולשדות הנפט של המזרח התיכון חשיבות עליונה וקריטית להמשך המלחמה.
בשלב הראשון במערכה, שהחל בפלישה האיטלקית למצרים, כללו הכוחות המקומיים של חיל האוויר המלכותי, בפיקודו של הקומודור ריימונד קולישו (Raymond Collishaw), 9 טייסות שהתמקדו בעיקר בסיוע לכוחות הקרקע, סיור בשטח האויב ורק במקרה הצורך בקרבות אוויר עם חיל האוויר המלכותי האיטלקי. לרשותו של קולישו עמדו 3 טייסות קרב (33, 80, 112) שהורכבו ממטוסי גלוסטר גלדיאטור דו-כנפיים מיושנים, מטייסת אחת (208) של מטוסי קישור וסיור מדגם וסטלנד לייסנדר, 5 טייסות (30, 45, 55, 113, 211) מפציצים קלים מדגם בריסטול בלנהיים ומשתי טייסות של מטוסי הפצצה-תובלה מדגמי בריסטול בומביי (216) וויקרס ולנטיה (70). עם כוח קטן זה, היה על קולישו לשלוט בקו החזית תוך הימנעות מאיבוד מיותר של מטוסים ולנהל פעולות אגרסיביות כדי לשמור על מנטליות של מגננה בקרב האיטלקים. בנוסף, נעשה שימוש באמצעי הטעיה, כמו העברת ההוקר הוריקן הזמין היחיד בין שדות תעופה שונים, כדי ליצור אשליה עבור מטוסי הסיור האיטלקיים שהכוח העומד מולם גדול וחזק יותר מכפי שהוא. הצלחה בולטת התרחשה ב-17 באוגוסט 1940: מטוסי גלדיאטור שהגנו על הצי הבריטי בים התיכון, הפילו 8 מפציצים איטלקיים מדגם סבויה מרקטי SM.79 ללא אבדות.
הכוח במזרח התיכון היה בבירור קטן מידי, והעברת תגבורות בטיסה ישירה דרך מערב הים התיכון לא הייתה מעשית עקב הטווח הארוך, שרק מפציצים יכלו לעבור. נתיב תגבורת חלופי נפתח דרך חוף הזהב שבמערב אפריקה עם מספר תחנות ביניים. מטוסי הקרב הועברו מפורקים בבטן ספינות לטקורדי שעל חוף האוקיינוס האטלנטי, הורכבו במקום ו"דילגו" על פני מערב ומרכז אפריקה לעבר מצרים. נתיב זה ואמצעים נוספים הגדילו את כוחה של מפקדת האוויר של מצרים ב-2 טייסות קרב (73, 274) של הוריקנים, 2 טייסות (37, 38) מפציצים בינוניים מדגם ויקרס ולינגטון וכן מטייסות אוסטרליות ודרום אפריקניות. התגבורת הגיעה בזמן לפתיחת מבצע מצפן ב-8 בדצמבר 1940, במהלכו נאבקו כוחות האוויר עם הקצב המהיר של כוחות הקרקע המתקדמים ולעיתים נחתו בסיום משימה במסלולי נחיתה קדמיים יותר מאלה שמהם יצאו. לכוח האווירי שבפיקודו של קולישו הייתה עוצמה מספקת כדי לשמור על עליונות מול חיל האוויר האיטלקי, שהפגין מידה מועטה של אומץ, יוזמה ונחישות, וסבל מירידה מהירה במוראל ברגע שספג את התבוסה הקלה ביותר. הצלחת חיל האוויר המלכותי נבעה בראש ובראשונה מחוסר ההתנגדות שהפגינו האיטלקים באוויר, ובנוסף היו מרבית המבצעים האוויריים של הבריטים מתוכננים מראש ובוצעו כנגד מטרות נייחות. כאשר הפכה הלחימה על הקרקע להתקפית יותר ובלתי צפויה - בעיקר לאחר המבקעים המוצלחים בגבול וכיבוש עמדות האיטלקים בברדיה, טוברוק ובנגאזי - נוצר קושי לספק את הסיוע האווירי הקרוב ביעילות הנדרשת, שבאה לידי ביטוי כאשר תוגברו כוחות הציר והחלו לתקוף בשנית.
במסגרת הלקחים שהופקו מסיבוב הלחימה הראשון התברר כי הלייסנדר, שנועד על פי טקטיקת הלחימה הבריטית לשמש כמטוס העיקרי לסיוע אווירי קרוב, איטי ופגיע ונזקק לליווי צמוד של מטוסי קרב במהלך משימות סיור ואיסוף מודיעין. כפתרון של דחק נעשה שימוש בהוריקן שהוכיח את ערכו כמטוס מהיר ויעיל לאיסוף מודיעין חזותי. תכונותיו של ההוריקן בתפקיד זה (בנוסף לתפקידו הנוכחי כמטוס קרב והעתידי כמטוס קרב-הפצצה) ביססו אותו כמטוס הטקטי הדומיננטי במלחמה. השיפור בשיתוף הפעולה עם המפציצים הקלים מסוג בריסטול בלנהיים הוביל אף הוא לאופטימיות: לפני תחילת המערכה צורפה לכל טייסת הפצצה יחידת קישור מודיעין אווירית (Air Intelligance Liaison) שהורכבה מקציני צבא היבשה אשר עידכנו את הטייסות באופן רציף במבצעים הקרקעיים המתנהלים ובמטרות שנבחרו לצורך המשך המתקפה. הצלחת השיטה הביאה לכך שחיל האוויר וצבא היבשה סיכמו על צירוף קציני קישור אווירי לכל הטייסות המסייעות לצבא, במיוחד טייסות קרב ששימשו לתפקידי סיוע אווירי קרוב.
פריצתה של מלחמת איטליה–יוון ב-28 באוקטובר 1940 הביאה לעצירת התקדמות הכוחות הבריטיים בלוב והעברת כוחות, ובכללם טייסות מפציצים ומטוסי קרב, לעזרת היוונים המותקפים. בשל שיקולים פוליטיים והאינטרסים הבריטיים בבלקן, נאלץ לונגמור לספק טייסות מתוך פיקוד המזרח התיכון לפעולה מיוון גופה, ולבצע בנוסף הפצצות לילה ארוכות טווח ממצרים לעבר איטליה ואלבניה. משום כך, הופסקו כל התוכניות לאימון בשיתוף פעולה טקטי אוויר-קרקע ויחידות קדמיות רבות הועברו מקירנאיקה לצורך מבצעים ביוון. חששות מפני התערבות גרמנית ישירה הכריחה את ראש פיקוד המזרח התיכון לעשות כל שביכולתו כדי למנוע את תבוסתה של בעלת הברית החדשה של בריטניה בבלקן. עד לסוף מרץ 1941 תרם חיל האוויר המלכותי למאמץ המלחמה ביוון שמונה טייסות קו ראשון עם כ-280 מטוסים. ההסחה היוונית והניסיון להחזיק באי כרתים לא רק הסתיימו בתבוסה אלא גם השפיעו לרעה על ההישגים הבריטיים במערכה במדבר המערבי. הצבא הבריטי וחיל האוויר המלכותי המוצבים במדבר המערבי נחלשו משמעותית בעוד הכוחות הגרמניים בלוב הולכים ומתחזקים. הכוח האווירי בחזית הצטמצם לטייסת בלנהיים (מס' 55), טייסת לייסנדר (מס' 6) ושתי טייסות הוריקן (מס' 73 ומס' 3 האוסטרלית) בלבד. כאשר פתחו כוחות הציר, בפיקודו של ארוין רומל, במתקפה מאזור אל-עגילה ב-30 במרץ 1941, נסוגו הבריטים בחזרה לגבול מצרים עד 10 באפריל וכל השטח שהושג, למעט טוברוק הנצורה, אבד.
אחד הגורמים לכישלון, מלבד הנחיתות הכמותית, היה שיתוף הפעולה הלקוי בין הצבא הבריטי לחיל האוויר המלכותי; מפקדות צבא היבשה וחיל האוויר היו מופרדות, התקשורת ביניהם הייתה איטית ולא אמינה, היה קושי בהכוונת הכוחות האוויריים לעבר מטרות בשטח בזמן אמת והיה מחסור באמצעי זיהוי מן הקרקע. הצבא הבריטי וחיל האוויר המלכותי האשימו אלה את אלה בכישלון. ביוני 1941 התמנה מרשל האוויר סר ארתור טדר לראש פיקוד חיל האוויר המלכותי במזרח התיכון. חודש לאחר מכן התמנה סגן מרשל האוויר סר ארתור קונינגהם למפקד הקבוצה האווירית ה-204, שכללה 2 טייסות קרב, 3 טייסות מפציצים קלים ו-2 טייסות סיור ובשיתוף עם טדר החל לעסוק בפתרון הבעיות. ב-30 בספטמבר פורסמו נוהלי סיוע אווירי שפירטו את העקרונות לצורך יישום שיתוף פעולה אוויר-קרקע להמשך המלחמה. הנהלים כללו את:
נהלים אלה יצרו את הבסיס ליצירת כוח אווירי שייעודו ביצוע משימות טקטיות בשדה הקרב תוך שימת דגש על שיתוף פעולה הדוק בין צבא היבשה לחיל האוויר. עם זאת, נותרו השליטה במטוסים וניהול הפעולות בידי אנשי חיל האוויר המלכותי.
מטוסי הקרב מדגם קרטיס P-40 טומהוק הופיעו לראשונה בזירה ב-14 ביוני 1941 במהלך מבצע קרדום קרב, החליפו את מטוסי ההוריקן כמטוסים לעליונות אווירית והופעלו בידי טייסות קרב בריטיות, אוסטרליות ודרום אפריקניות. לאחר שהיתרון בקרב החל לנטות לכיוון כוחות הציר, התערב מרשל האוויר ארתור טדר באופן הפעלת הכוחות והורה בפעם הראשונה למטוסי הקרב להתרכז בתקיפת מטרות קרקע, בעיקר לאורך צירי התנועה. שיטה זו הוכיחה את יעילותה בבלימת התקדמות האויב, אך גם חשפה את המטוסים לאש מן הקרקע וממטוסי אויב שנהנו מיתרון בגובה. גם במהלך מבצע צלבן המשיכו המטוסים לבצע את תפקידם החדש, בנוסף למשימותיהם כמלווי מפציצים וכמיירטים.
באוגוסט 1941 כללו כוחות האוויר של חיל האוויר המלכותי במזרח התיכון 49 טייסות עם 722 מטוסים. המשך הקרבות בצפון אפריקה הביא להחלטה להפוך את הכוח האווירי במצרים ליחידה נפרדת כדי להקל על הפיקוד והשליטה בזירה זו, בצד זירות המבצעים האחרות במזרח התיכון. לאחר כישלון מבצע קרדום קרב התברר, כי יש צורך לספק לכוחות הקרקע הבריטיים סיוע אווירי שיהיה הן מאורגן טוב יותר והן גדול יותר מבחינת עוצמה ויכולת. תחילה הסב קונינגהם את כנף מס' 253 להתנסות בסיוע אווירי קרוב מעל קו החזית באמצעות טייסת בלנהיים ושתי טייסות הוריקן. זמן קצר לאחר מכן כבר פעלו 3 כנפות בצפון אפריקה, כאשר הכנפות מס' 258 ו-269 פעלו מעל קו החזית והכנף מס' 262 הגנה על אזור הדלתא של הנילוס. כנפות מס' 258 ו-269 היוו את הגרעין לחיל האוויר של המדבר המערבי שהוקם ב-21 באוקטובר 1941 כחיל אוויר טקטי תחת פיקוד המזרח התיכון של חיל האוויר המלכותי, כדי להתמודד מול חילות האוויר של הציר בצפון אפריקה ולסייע לכוחות הקרקע.