Ještě během války byl pověřen vedením 12. letecké armády v Severní Africe, později byl dokonce pověřen vedením spojených oddílů strategického letectva USA a Spojeného království v oblasti. Jak se boje ve Středomoří posouvaly na italské území, velel 15. letecké armádě. Od ledna 1944 do září 1945 velel 8. letecké armádě v Anglii, od 13. března 1944 již v hodnosti generálporučíka. Doolittlův vliv na vojenské operace se už brzy projevil. Změnil taktiku nasazení eskortních stíhačů, která původně vyžadovala, aby stíhací ochrana létala neustále v blízkosti bombardérů. S jeho svolením mohly stíhací stroje P-38, P-47 a P-51 při návratu na základnu volně útočit na německé vojenské cíle. Tento krok se ukázal jako správný a během války způsobil nacistickému Německu těžké ztráty.