В ходе Великой Отечественной войны и войны с милитаристской Японией 5-я армия участвовала в 21-й операции, в том числе в битве под Москвой (октябрь — апрель 1941—1942 гг.), вела упорные оборонительные бои в районах Можайска, Звенигорода, Кубинки. В декабре 1941 — январе 1942 войска армии перешли в контрнаступление в Ржевско-Вяземской наступательной операции, в результате которого освободили Можайск и закрепились на подступах к Гжатску. Участвовала в Смоленской наступательной операции (август — октябрь 1943 г.), освободив Смоленск.