23 stycznia 1935 został skierowany do Akademii Wojsk Lotniczych RKKA im. Żukowskiego, po ukończeniu której w 1939, został mianowany dowódcą brygady lotnictwa bombowego w Charkowie. Był uczestnikiem wojny zimowej z Finlandią. W końcu 1940 został zastępcą dowódcy lotnictwa Środkowoazjatyckiego Okręgu Wojskowego. Po wykazaniu się przy organizacji nowych jednostek powietrznych w pierwszych miesiącach inwazji III Rzeszy na ZSRR, w lipcu 1942 został skierowany do dowodzenia operacjami powietrznymi. Od 22 lipca 1942 dowodził 292 Dywizją Lotnictwa Szturmowego. Z początkiem marca 1943 przystąpił do organizowania 8 Korpusu Lotnictwa Mieszanego Odwodu Naczelnego Dowództwa. Został dowódcą tego korpusu - z dniem 21 lipca 1943 przeformowanego w 5 Korpus Lotnictwa Szturmowego. W składzie 1 Frontu Ukraińskiego brał udział w walkach w ramach operacji: biełgorodzko-charkowskiej, kijowskiej, korsuń-szewczenkowskiej, lwowsko-sandomierskiej, budapeszteńskiej i wiedeńskiej. Dowodzony przez niego korpus został 17-krotnie wyróżniony w rozkazach Głównodowodzącego – J. Stalina. W bitwie na Łuku Kurskim Kamanin opracował innowacyjną taktykę użycia szturmowych samolotów Ił-2.