Durante la seconda guerra mondiale partecipò, il 9 luglio 1940, alla battaglia di Punta Stilo con 26 velivoli in quella che fu la sua prima azione bellica terminata con 8 aerei distrutti e due navi nemiche danneggiate. Il 54º Gruppo fu di stanza in Nordafrica sin dall'11 luglio 1940, da dove, spostandosi tra gli aeroporti di Ain el-Gazala, Borce e , compì pattugliamenti marittimi e bombardamenti sia notturni che diurni meritandosi la medaglia d'argento al valor militare. Dalla fine dell'ottobre 1940 il 37º Stormo, che nel frattempo aveva inglobato il 116º Gruppo con le sue 276ª Squadriglia e 277ª Squadriglia, partecipò alla campagna di Grecia e di Jugoslavia volando sui Fiat B.R.20 con i quali partecipò anche alla difesa di Corfù e Cefalonia. L'11 giugno 1941 il comando dello stormo e il 55º Gruppo passarono all'aeroporto militare di Gerbini (nella piana di Catania) per meglio coordinare gli attacchi contro Malta che iniziarono il 18 ottobre. Quasi un mese dopo perì in una di queste incursioni il maggiore della 276ª Squadriglia Cesare Toschi, medaglia d'oro al valor militare alla memoria e al quale è intitolato il 37º Stormo.