空战是第二次世界大战的主要内容之一，空袭目标包含剧院与学校。德国和日本紧密依赖陆军和海军一体化的空中力量，他们低估战略轰炸机的优势。相比之下，英国和美国极力强调战略轰炸，在小范围运用空运战术控制战场与防空系统。它们都建立在大型远程轰炸机可以携带武器攻击敌人的战略。同时，他们建立战术空中力量，可以赢得空中优势，协助地面部队作战。强大的海军与航空母舰是空战的核心。
第二次世界大战欧洲战场在德国入侵波兰时展开了序幕，德国空军的首要目的就是获得波兰的制空权来支持他们闪电战行动中的地面部队。德国空军将西班牙内战学习的经验第一次运用在大规模战争上。
1939年在行动代号白色方案中，两支德国空中集团军（Air Fleet）参与攻击波兰。在战争的首几个小时，德军已经成功利用俯冲轰炸机摧毁重要地面目标。这是第二次世界大战的第一次攻击。同样地在战争最初的几个小时，伟伦市（Wieluń）的四分之三的地方被炸毁，1200名平民被杀。
1940年7月10日，纳粹德国对英国发动的大规模空战，是第二次世界大战中规模最大的空战，同属英联邦的新西兰、加拿大、澳大利亚、南非、爱尔兰、牙买加、斯里兰卡、南罗德西亚等国的空勤人员也投入英军；许多被纳粹德国占领的欧洲国家，包括波兰、比利时、捷克斯洛伐克、法国等撤至英国的空军，也加入了保卫英国的行列；当时属于中立的美国也有志愿者组成“飞鹰中队”（Eagle Squadrons）与英国并肩作战。同属轴心国的意大利，则派出“空军军团”（Corpo Aereo Italiano）与德国空军一起战斗。
不列颠战役在1941年10月12日以德国的失败告终，由于损失过多的战机和飞行员，又无法取得英伦海峡的制空权优势，更无法借由空袭瓦解英国的地面和海军战力，德国不得不放弃入侵英国的作战计划。
英国皇家空军对德国城市的袭击开始于1940年5月12日晚上，由35架轰炸机攻击门兴格拉德巴赫。不久，他们重复攻击德国城镇，单单袭击柏林已经多达八次。德军以9月7日对伦敦袭击及11月15日对Coventry攻击来报复。1940年末，英国皇家空军开始发动十分大规模的攻击，虽然未作地面攻击，但地毯式轰炸造成许多平民死亡。当法国被德国占领后，英国在欧洲大陆没法进行军事活动，空中突击成了唯一攻击德国的方法。
1943年7月24日开始到8月3日，英国皇家空军发动蛾摩拉行动（Operation Gomorrah），对德国第二大城市，重要港口和工业中心汉堡进行的多次猛烈轰炸。汉堡轰炸造成至少50,000人死亡，其中大部分是平民，摧毁房屋25万栋，城市一半以上被摧毁，致使100万平民无家可归。
在太平洋战争中，空中战争彻底改变了海上战争的方式，利用大量的空降方式把战争延伸到大小湖泊与河流。因为很多战区深入热带雨林，调动军队及重型武器十分困难。日本与美国维持大量的航空母舰以使当目标还未消失前快速派遣飞机攻击目标。这种策略就是参考了偷袭珍珠港的模式。鱼雷轰炸机已经可以作远程攻击而舰炮越来越笨重，战舰、巡洋舰慢慢失去了他们的意义。
1942年5月的珊瑚海战役中，第一次有航空母舰参与海战，双方舰队第一次在视线距离外进行海战，第一次双方战舰没向敌军战舰开火。后来，美日的航空母舰于一个月后在中途岛再次相遇。由于在航空母舰的调配有所分别，双方马上认识到航空母舰的军事价值。日本虽然派出6艘航空母舰，但只有4艘航空母舰、11艘战舰、16艘巡洋舰、53艘驱逐舰及248架战机参与战斗，最终日军被3艘美国航空母舰、15艘驱逐舰及360架战机所击败。自此之后，日本海军在太平洋失去海上优势。
1938年2月18日起至1943年8月23日，日本对中国陪都重庆进行长达5年半的战略轰炸。据不完全统计，在这5年间日军对重庆实施218次战略轰炸，中国方面则指控日军实施9513架次、空袭重庆及周边两百余次；造成重庆死于轰炸者10,000以上，超过17,600幢房屋被毁，市区大部分繁华地区被破坏。日本对重庆实施的空袭，是由日本陆、海军航空队联合进行无差别轰炸，是继德国在1937年4月西班牙内战中对格尔尼卡平民实施轰炸之后，历史上最先实行的战略轰炸，其目的是希望透过制造大量平民杀伤，以瓦解对方抵抗的士气。
自从太平洋战争爆发后，美军开始空袭日本，但是效果十分有限。1942年，美国陆军航空队的中型B-25轰炸机从海军的航空母舰上起飞，对东京展开了杜立德空袭，这是美国第一次对日本本土的轰炸行动。B-29超级堡垒轰炸机在1944年开始服役，增加美军空袭的实力。盟军从1944年6月至1945年1月间实施马特洪峰行动，目的以日本在中国及东南亚的基地来进行战略轰炸。马特洪峰行动的效果并不显著，主要受到机械问题、不良天气及后勤补给困难所致。B-29轰炸机曾经短暂使用中国的机场轰炸日本。
1944年11月，马里亚纳群岛及帕劳战事结束后，美军在马里亚纳群岛的关岛、塞班岛及天宁岛等地修筑机场，所以B-29超级堡垒轰炸机可以从这里的空军基地空袭日本，造成日本平民大量死伤。1945年3月开始的东京大轰炸造成8至10万人死亡，近41平方公里的地方被焚毁，摧毁267,000栋建筑物。东京大轰炸是人类历史上最具破坏性的非核武空袭，比第二次世界大战中任何一次军事行动造成的伤亡都还多。美军飞机后来可以从航空母舰及琉球群岛上空袭日本，准备替后来的奥林匹克行动铺路。
日军无法阻止美军空袭，民事防护也不够充分。后来日军从1945年4月起停止拦截美军的轰炸机，准备保留实力来抵抗盟军进攻日本本土。到了1945年中，日军为了保存燃料，只能偶尔仓促的干扰B-29超级堡垒轰炸机进行单机侦察行动。日军到了6月份已经储备1,156,000桶航空汽油。
1945年3月东京大轰炸是第二次世界大战中大规模战略轰炸。3月10日6小时轰炸中，造成18万5千名平民死亡，26万栋房屋被毁。很多以木材兴建的古老房屋被大火焚毁。
美国在英国合金管计划（Tube Alloys）及加拿大乔克河国家实验室（Chalk River Laboratories）的协助下，曼哈顿计划在美国陆军工程兵团莱斯里‧格罗夫（Leslie Groves）少将的领导下展开，准备制造史上第一颗原子弹。曼哈顿计划当初是为了对抗1939年启动的德国核能研究而展开，德国在1945年5月投降后，攻击目标变更为日本。
曼哈顿计划在洛斯阿拉莫斯国家实验室主任罗伯特·奥本海默的指挥下，终于成功研发出两种原子弹。其中一种采用枪式设计，使用铀-235来引发核子连锁反应，例如投掷在广岛的小男孩原子弹。而另一种则内爆式钚弹，使用雷管引爆中央的球形钚，例如投掷在长崎的胖子原子弹。新墨西哥州索科罗于1945年7月16日完成的三位一体核试。
1945年在8月6日及9日，美国在广岛与长崎投下小男孩原子弹及胖子原子弹。广岛约有90,000－166,000人因核爆而死亡 ，长崎则有60,000–80,000人死亡。
对平民的战略轰炸是意大利空权理论家朱利奥·杜黑首次提出。在他的著作《制空论》，他认为未来的军事领袖可以利用绕过敌军来空袭脆弱的平民，那就避免第一次世界大战式血腥的战壕僵局。他相信这些攻击将造成这些人口暴动起来，推翻其政府停止轰炸。
