Возросшая техническая оснащенность позволила в канун войны существенно улучшить организационную структуру войск. В стрелковые дивизии были включены танки, мощная дивизионная артиллерия, противотанковая и зенитная артиллерия, что значительно повысило их огневую мощь. Дальнейшее развитие получила организация артиллерии резерва главного командования (РГК). Вместо отдельных танковых и бронетанковых бригад, которые с 1939 являлись основными соединениями бронетанковых войск, началось формирование более крупных соединений – танковых и механизированных дивизий. В воздушнодесантных войсках стали формировать воздушнодесантные корпуса, а в ВВС – переходить с 1940 на дивизионную организацию. В ВМФ были организованы соединения и объединения, предназначавшиеся для совместных действий с сухопутными войсками и для проведения самостоятельных операций.

Дальнейшее развитие получили военная стратегия, оперативное искусство и тактика. В середине 30-х годов разрабатывается теория глубокого боя и глубокой операции, отражавшая качественные изменения в техническом оснащении войск, - принципиально новая теория ведения операций массовыми высокоподвижными хорошо технически оснащенными армиями. Теоретические положения проверялись на маневрах и учениях, а также в ходе боевых действий Красной Армии в районе озера Хасан, реки Халхин-Гол, в советско-финляндской войне 1939-1940. Заново разрабатывались новые уставы и наставления. В 1940 в войска поступили Боевой устав пехоты, Проекты Полевого устава и Боевого устава пехоты (часть 2), Боевой устав танковых войск, Строевой устав, Устав караульной службы и другие. 7 мая 1940 Наркомом обороны был назначен С.К. Тимошенко.

Несмотря на принимавшиеся меры, подготовка Вооруженных Сил к отражению готовящейся германским фашизмом агрессии не была завершена. Большинство соединений, переведенные на новые штаты, были не полностью укомплектованы оружием и боевой техникой, а также транспортными средствами. Многим командирам среднего и старшего звеньев не хватало опыта ведения современных военных действий.

Великая Отечественная война 1941-1945 явилась самым тяжелым испытанием для народа и Вооруженных Сил. Немецко-фашисткие войска, вследствие внезапности нападения, длительной подготовки к войне, двухлетнего опыта военных действий в Европе, превосходства в количестве вооружения, численности войск и других временных преимуществ, сумели в первые месяцы войны, не считаясь с потерями продвинуться на сотни километров в глубь территории. Советское правительство сделало все необходимое для ликвидации смертельной угрозы, нависшей над страной. С начала войны организованно и в короткие сроки проводилось развертывание Вооруженных Сил. К 1-му июля 1941 из запаса было призвано 5,3 миллиона человек. Вся жизнь страны перестраивалась на военный лад. Основные отрасли экономики перешли на производство военной продукции. В июле-ноябре 1941 из прифронтовых районов было эвакуировано 1360 крупных предприятий, главным образом оборонного значения. 30-го июня 1941 был образован чрезвычайный орган – Государственный комитет обороны (ГКО) под председательством И.В. Сталина. 19-го июля 1941 народным комиссаром обороны был назначен И.В. Сталин, который 8-го августа стал также Верховным главнокомандующим Вооруженных Сил. ГКО руководит всей жизнью страны, объединив усилия тыла и фронта, деятельность всех государственных органов. Стратегическое руководство Вооруженными Силами Ставка осуществляла с помощью своего рабочего органа – Генштаба.

С начала войны была расширена подготовка офицеров за счет увеличения слушателей академий, курсантов училищ и сокращения срока обучения, создания большого количества курсов для ускоренной подготовки офицеров младшего звена, особенно из числа солдат и сержантов. С сентября 1941 отличившимся соединениям начали присваивать наименования гвардейских.

Благодаря чрезвычайным мерам, принятым правительством, массовому героизму и невиданному самопожертвованию советского народа, воинов армии и флота к концу 1941 года удалось остановить врага на подступах к Москве, Ленинграду и к другим жизненно важным центрам страны. В ходе Московской битвы ноябрь 1941 – январь 1942 было нанесено первое крупное поражение врагу за всю вторую мировую войну. Эта битва развеяла миф о непобедимости немецко-фашистской армии, сорвала план “блицкрига”, явилась началом решительного поворота в войне пользу СССР.

Летом 1942 центр военных действий переместился на южное крыло советско-германского фронта. Враг рвался к Волге, нефти Кавказа, хлебным районам Дона и Кубани. Советское правительство прилагало все усилия, чтобы остановить противника, продолжали наращивать мощь Вооруженных Сил. К весне 1942 в составе Вооруженных Сил находилось только действующая армия 5,5 миллиона человек. В середине 1942 промышленность начала увеличивать объемы выпускаемой продукции, более полно обеспечивать потребности фронта. Если в 1941 было выпущено 15735 самолетов, то в 1942 уже 25436, танков соответственно 6590 и 24446, выпуск боеприпасов увеличился почти вдвое. В1942 в армию было направлено 575 тысяч офицеров. В Сталинградской битве 1942-1943 советские войска нанесли врагу поражение и захватили стратегическую инициативу. Эта победа явилась началом коренного перелома не только в Великой Отечественной войне, но и во всей второй мировой войне.

В 1943 быстрыми темпами развивалось производство: выпуск боевых самолетов по сравнению с 1942 возрос на 137,1%, боевых кораблей на 123%, пистолетов-пулеметов на 134,3%, снарядов на 116,9%, авиабомб на 173,3%. В целом производство военной промышленности увеличилось на 17%, а в Германии на 12%. Советская оборонная промышленность сумела превзойти врага не только по количеству вооружения, но и по его качеству. Массовый выпуск артиллерийских орудий позволил усилить дивизионную артиллерию, создать корпусную, армейскую артиллерию и мощную артиллерию резерва Верховного Главнокомандования (РВГК), новые части и подразделения реактивной, противотанковой и зенитной артиллерии. Было сформировано значительное количество танковых и механизированных корпусов, большая часть которых была сведена в танковые армии. Бронетанковые и механизированные войска стали основной ударной силой Сухопутных войск (к концу 1943 в их составе было 5 танковых армий, 24 танковых и механизированных корпусов). Увеличился состав авиационных дивизий, корпусов и воздушных армий.

Значительное усиление мощи советских Вооруженных Сил и возросшее полководческое искусство ее начальников позволили в Курской битве 1943 нанести фашистским войскам крупное поражение, которое поставило фашистскую Германию перед военной катастрофой.

Решающие победы были одержаны Вооруженными Силами в 1944-1945. К этому времени они имели огромный боевой опыт, обладали колоссальной мощью и к началу 1945 насчитывали 11365 тысяч человек. В 1943-1945 ежегодно выпускалось в среднем 220 тысяч артиллерийских орудий и минометов, 450 тысяч пулеметов, 40 тысяч самолетов, 30 тысяч танков, САУ и бронеавтомобили. В массовом количестве выпускались новые типы самолетов – Ла-7, Як-9, Ил-10, Ту-2, тяжелые танки ИС-2, САУ ИСУ-122, ИСУ-152 и СУ-100, реактивные установки БМ-31-12, 160-ти миллиметровые минометы и другая боевая техника. В результате стратегических наступательных операций, в том числе под Ленинградом и Новгородом, в Крыму, на Правобережной Украине, в Белоруссии, Молдавии, Прибалтике и в Заполярье, Вооруженные Силы очистили от захватчиков русскую землю.Развивая стремительное наступление советские войска в 1945 провели Восточно-Прусскую, Висло-Одерскую и другие операции. В Берлинской операции они добились окончательного разгрома фашистской Германии.