С апреля 1942 года — командующий ВВС Красной Армии — заместитель Народного комиссара обороны СССР по авиации, возглавив тем самым советские ВВС. При реорганизации системы управления наркоматом обороны 20 мая 1943 года был выведен из числа заместителей наркома и его должность далее именовалась — командующий ВВС РККА. В 1942 году предложил вернуться к формированию авиационных корпусов и возглавил работу по разработке их штатов и по боевому применению (осенью этого года для намеченных на должности командиров корпусов под его руководством было проведено специальное учение по отработке действий авиакорпусов). Как представитель Ставки ВГК координировал боевые действия авиации нескольких фронтов в Сталинградской битве (отвечал за организацию воздушной блокады окружённой группировки войск противника под Сталинградом в декабре 1942 — феврале 1943 годов), Демянской операции в феврале 1943 года, воздушных сражениях на Кубани весной 1943 года, Курской битве, в Смоленской, Днепровско-Карпатской, Выборгской, Белорусской, Львовско-Сандомирской, Восточно-Прусской (в том числе непосредственно при штурме Кёнигсберга), в Берлинской операции. В годы войны советская авиация под его руководством провела также несколько самостоятельных воздушных операций (наиболее известна воздушная операция ВВС РККА по уничтожению немецкой авиации на аэродромах в мае 1943 года). Для решения важнейших вопросов строительства и применения ВВС за годы войны 44 раза вызывался на приём к И. В. Сталину.