Se lo envió a un entrenamiento avanzado en la Academia de Ingeniería Militar de Zhukovski. Tras su graduación fue nombrado comandante de una brigada aérea en 1938. Tras la Guerra de Invierno fue ascendido a jefe de distrito aéreo. En julio de 1942, tras la reorganización de las fuerzas aéreas soviéticas que siguió al desastroso inicio de la invasión nazi, fue ascendido a director de operaciones aéreas. Durante la II Guerra Mundial, Kamanin comandó varias unidades aéreas en el frente ucraniano y desarrolló nuevas tácticas para el Ilyushin Il-2 Sturmovik. Terminó la guerra en Praga.