El estallido de la Segunda Guerra Mundial surgió mientras ocho de los once escuadrones operacionales de la RCAF estaban disponibles, pero en octubre de 1939, 15 escuadrones estuvieron disponibles (12 para defensa en tierra, 3 para servicios transoceánicos). Allí hubo 20 tipos diferentes de aeroplanos, todos siendo utilizados para entrenamiento o transporte, y la RCAF comenzó la guerra con sólo 29 cazas y bombarderos en la línea de guerra, pero cuando ésta finalizó, la RCAF fue la cuarta fuerza aérea aliada.
El 15 de agosto de 1940, un escuadrón canadiense de la RCAF fue la primera unidad en acción.
Durante la guerra, la RCAF tuvo que seguir tres responsabilidades clave:
Plan de Entrenamiento Aéreo del Comonwealth Británico (British Conmonwealth Air Training Plan, BCATP): Contribución masiva de Canadá para entrenar aviadores militares que expandan la presencia de la RCAF fuera del país.

Establecimiento de Guerra en la Patria (Home War Establishment, HWE): 37 escuadrones para defensa costera, protección del tráfico marítimo, defensa aérea y otras tareas dentro del territorio canadiense.
Establecimiento de Guerra en el Extranjero (Overseas War Establishment, OWE): Cuarteles Generales en Londres, poseía 48 escuadrones sirviendo a la Real Fuerza Aérea en Europa Occidental, Europa Oriental y el Mediterráneo.
La RCAF jugó roles clave en la Batalla de Inglaterra, en la Guerra Submarina durante la Batalla del Atlántico, las campañas de bombardeo a las industrias alemanas y a cerrar el apoyo de los Aliados durante la Batalla de Normandía y subsecuentes campañas en el NO de Europa.
La RCAF alcanzó el pico de su fuerza con 215.000 efectivos en enero de 1944 (incluyendo 15.000 mujeres).