Under andre verdenskrig okkuperte den tyske invasjonshæren Norge 10. april 1940, og Luftwaffe okkuperte Værnes med liten motstand. De tyske styrkene organiserte, ved hjelp av lokale myndigheter og norsk mannskap, umiddelbart arbeidene med å utbedre lufthavnen, og på noen få uker hadde de bygget en ny rullebane til god bruk i felttoget i Nord-Norge. Før 1942 hadde de konstruert tre betongrullebaner, den lengste var 1 620 meter, i tillegg til flere hangarer, bunkere og luftvernstillinger, totalt mer enn 100 bygninger. Et tyvetalls førkristne gravhauger ble fjernet for å gi plass til utvidelsene. På det meste var det stasjonert 2 000 tyske soldater og 2 000 norske arbeidere på Værnes under andre verdenskrig. Etter den tyske kapitulasjonen 8. mai 1945 trakk Luftwaffe seg ut av Værnes.