Lorsque la Seconde Guerre mondiale éclate en septembre 1939, l’armée de l’air, est insuffisamment préparée pour contrer l'invasion allemande. Néanmoins, l’armistice signé le 22 juin 1940 ne marque pas la fin des combats pour les aviateurs dont certains rejoignent Londres pour former les Forces aériennes françaises libres. Ces dernières s’illustrent sur tous les fronts tandis que le débarquement allié en Afrique du Nord de novembre 1942 permet leur réunification avec les unités aériennes stationnées sur place. C’est une armée de l’air unie et renaissante qui participe à la libération du territoire national et aux derniers affrontements contre l’Allemagne nazie. À la fin de la guerre, l'armée de l'air entame sa réorganisation, industrielle et structurelle.
La Guerre froide et l’adhésion de la France à l'OTAN, imposent à l'armée de l'air de nouvelles obligations, parmi lesquelles la défense aérienne du territoire français. L’armée de l’air se dote de son premier appareil à réaction de conception française, l’Ouragan. Avec le retour au pouvoir du général de Gaulle que la France se dote de l’arme atomique. L'armée de l'air est responsable de la mission de frappe nucléaire stratégique, dans cette optique elle s’équipe, dès 1963,du Mirage IV A, dont la première unité est déclarée opérationnelle le 1er octobre 1964. La fin de la Guerre froide et l’éclatement du bloc soviétique pousse l’armée de l’air à modifier en profondeur tant ses modes d’action que son organisation. La suspension du service national, décidée en 1996, contraint à une réduction des effectifs compensée par la mise en service d’un matériel plus performant, qu’il s’agisse des Mirage 2000 N de dissuasion nucléaire ou du Rafale. En outre, l’armée de l’air est de plus en plus régulièrement sollicitée pour assurer des missions de projection de puissance et de force. Après une première réorganisation en 1994, l’armée de l’air s’engage dans une restructuration de grande ampleur au début des années deux mille.
Plus récemment, l'armée de l'air est intervenue par l'envoi de plusieurs Rafale en Lybie pour protéger les populations menacé par les troupe du dictateur Kadhafie. Elle joue également un rôle majeur dans la guerre en Afghanistan.