С началом войны полк в составе ВВС Западного фронта участвовал в приграничном сражении в Белоруссии. В июле полк в составе 47-й авиадивизии участвовал в Смоленском сражении, в разгроме ярцевской группировки и танкового корпуса немцев, с конца августа — действовал на великолукском направлении. Осенью 1941 года он принимал участие в Вяземской оборонительной операции. За проявленную отвагу в боях, за мужество и героизм личного состава на Западном фронте полк был преобразован в 5-й гвардейский истребительный, 49 летчиков награждены орденами и медалями, а девятерым из них присвоено звание Героя Советского Союза. В октябре 1941 года полк был выведен на переформирование и доукомплектование в город Арзамас, где было организовано переучивание летного состава на новую технику. После пополнения в декабре 1941 года он был передислоцирован на Калининский фронт и участвовал в контрнаступлении под Москвой, в Калининской, Торопецко-Холмской и Ржевско-Сычевской наступательных операциях.