Опыт войны в Испании дал новый толчок развитию авиации. Немцы решили ставить на свои самолеты новые двигатели. В СССР стали разрабатывать принципиально новые конструкции самолетов А. С. Яковлев, С. В. Ильюшин, В. М. Петляков и др.
Скорость истребителей достигла 600 км/ч и более. Повысилась дальность полета (до 3–4 тыс. км), скорость (до 550 км/ч) и бомбовая нагрузка бомбардировщиков (до 3–4 т).
В 1938 г. в КБ Ильюшина был сконструирован самолет огневой поддержки сухопутных войск – штурмовик Ил-2. Он имел высокую прочность, большую огневую мощь, бронированную защиту важнейших узлов.
Во Второй мировой войне наибольшее применение получили легкие, маневренные, простые в управлении самолеты. В небе над Европой, Азией, Тихим и Атлантическим океанами развернулись ожесточенные воздушные сражения. Самолеты прикрывали войска с воздуха, наносили удары по войскам и кораблям противника, вели разведку, перебрасывали десанты.
Самыми распространенными были истребители Як-3, Як-7, Як-9, Ла-5 и Ла-7 (СССР), «Мессершмитт-109» и «Фокке-Вульф-190» (Германия), «Харрикейн» и «Спитфайр» (Великобритания), «Мустанг» и «Аэрокобра» (США). Среди бомбардировщиков следует выделить советские Пе-2, Ил-4, Ту-2, немецкие Ю-87 и Ю-88, американские Б-17, Б-25 и Б-29, английский «Ланкастер». Самым массовым самолетом Второй мировой стал штурмовик Ил-2.
К концу войны поршневая авиация исчерпала свои возможности. Максимальная скорость самолетов достигала 720 км/ч. Дальнейшее ее повышение было ограничено чрезмерным ростом габаритов и веса двигателя, снижением КПД винта.
Качественный рывок в авиастроении произошел с появлением реактивного двигателя. Его разработка началась в 1930-е годы. Первые полеты были осуществлены на самолетах с жидкостно-реактивными двигателями. В 1939 г. в Германии был сконструирован и испытан самолет «Хейнкель». В СССР первый реактивный полет был осуществлен в 1940 г. на ракетоплане конструкции С. П. Королева. В 1941 г. в Англии поднялся в воздух самолет «Глостер» с турбореактивным двигателем конструкции Ф. Уиттла.
В 1941–1943 гг. в Германии были выпущены небольшими сериями реактивные истребители Ме-262, Me-163, Хе-162. Но решающего влияния на ход воздушной войны они не оказали. Единственным реактивным самолетом союзников, принявшим участие в войне, стал английский «Метеор».