Во второй половине XX века ВВС СССР приняли на вооружение новые самолеты третьего и четвертого поколений, большинство из которых базировалось на территории стран Варшавского договора. В это время Европа считалась основным театром боевых действий, в случае перехода "холодной войны" в активную фазу. Все большее значение стала приобретать Дальняя авиация, а сами ВВС прошли еще один этап реорганизации. В результате всех этих усилий ВВС СССР по численности личного состава и количеству самолетов стали крупнейшими в мире.
В конце 1960-х - начале 1970-х годов конструкторские бюро СССР - "Сухой" и "Микоян-Гуревич" - начали уделять все больше внимания поворотным крыльям, позволявшим в полете менять их стреловидность, а значит и в достаточно широких пределах изменять аэродинамические характеристики самолетов. Примечательно, что крыло изменяемой стреловидности было фактически единственным отличием самолетов третьего поколения от второго.
Серийное производство первых советских истребителей с поворотным крылом началось в 1972-1973 годах. Тогда советская промышленность предложила военным два практически идентичных по своим возможностям истребителя - МиГ-23 и Су-17. Оба самолета имели крыло изменяемой стреловидности и были способны развивать скорость до 2,4-2,5 тысячи километров в час. Каждый из них мог нести современные неуправляемые и управляемые ракеты класса "воздух-воздух", "воздух-поверхность", авиабомбы и пушечные контейнеры.
Несмотря на идентичность возможностей самолетов, оба они были приняты на вооружение. При этом МиГ-23 отводилась роль многоцелевого тактического истребителя и истребителя-перехватчика, а Су-17 - фронтового ударного самолета. К началу 1980-х годов оба самолета составили основу советской тактической авиации.
В США в 1967 году также был создан самолет с изменяемой геометрией крыла - F-111 Aardvark. Этот истребитель-бомбардировщик мог развивать скорость свыше 2,6 тысячи километров в час и был оснащен системой следования рельефу местности. Считалось, что такой самолет был способен на скорости в 1,2 тысячи километров в час лететь на малых высотах и прорывать системы ПВО противника. Ответом СССР на создание Aardvark стала разработка фронтового бомбардировщика Су-24. Несмотря на меньшую, чем у F-111, максимальную скорость (1,4 тысячи километров в час), Су-24 также был способен совершать полеты на малых высотах вне видимости радаров ПВО.
С середины 1960-х годов советские ВВС начали получать на вооружение новые истребители-перехватчики, отличавшиеся от устаревших самолетов новой компоновкой, способностью развивать скорость свыше трех тысяч километров в час, подниматься на большую высоту и применять новейшее по тем временам управляемое ракетное вооружение. Первым таким самолетом стал МиГ-25. Он был собран по схеме двухкилевого моноплана с верхним расположением трапециевидного в плане крыла. Двухдвигательный перехватчик мог развивать скорость до 3,1 тысячи километров в час, а его предельная высота полета составляла 24 тысячи метров.
С 1967 года в войска также начал поступать истребитель-перехватчик Су-15. Его максимальная скорость составляла 2,3 тысячи километров в час, а предельная высота полета - 18,5 тысячи метров.
Между тем, помимо самолетов с крылом изменяемой стреловидности популярностью среди конструкторов стали пользоваться истребители с вертикальными взлетом и посадкой. В 1974 году ОКБ Яковлева развернуло серийное производство штурмовиков Як-38. Однако советскими ВВС самолеты такого типа не были востребованы, и дальнейшая их разработка велась уже в интересах ВМФ СССР.
В 1970-х годах проводилась модернизация уже существующих самолетов, а также создание их новых более совершенных версий. В войска начали поступать истребители-бомбардировщики Су-17М4 и МиГ-27, получившие управляемые средства поражения наземных объектов. В течение 1960-1970-х годов ВВС СССР не участвовали в крупных вооруженных конфликтах, однако ввиду угрозы прямого столкновения со странами блока НАТО авиация часто принимала участие в различных учениях, отрабатывая разнообразные схемы действия на случай возможной войны в Европе.
К концу 1970-х годов именно Европа рассматривалась руководством СССР в качестве основного театра военных действий. По этой причине главные авиационные силы были сконцентрированы на территории стран Варшавского договора. При этом ведущая роль постепенно перешла от тактического авиационного ядерного вооружения к управляемым средствам поражения. В начале 1980-х годов ВВС прошли через очередной этап реформирования - воздушные армии фронтовой авиации были преобразованы в ВВС военных округов с подчинением командующим этими военными округами.
К началу 1980-х годов в СССР в основном завершилась разработка следующего - четвертого - поколения реактивных истребителей. В последующие годы в войска начали поступать первые истребители МиГ-29, Су-27, штурмовики Су-25 и истребители-перехватчики МиГ-31. Они постепенно вытесняли машины предыдущих поколений. Примечательно, что к этому времени и США и СССР перешли на двухсоставную конфигурацию тактической авиации, которая теперь делилась на легкую и тяжелую. Легкую нишу заняли самолеты ОКБ Микояна-Гуревича, а тяжелую — Сухого.
Самолеты четвертого поколения строились по неустойчивой аэродинамической схеме, позволявшей добиться повышенной маневренности на сверхзвуковых скоростях полета. Истребители комплектовались улучшенными двухконтурными двигателями с пониженным расходом топлива, а также оснащались более мощным бортовым радио-электронным оборудованием. Примечательно также, что теперь ВВС СССР в случае военного конфликта с блоком НАТО должны были бы обеспечить не только нанесение ударов по наземным объектам противника, но и превосходство в воздухе.
Следует отметить, что в 1988 году в составе ВВС СССР была воссоздана штурмовая авиация, получившая на вооружение самолеты Су-25, которые наравне с бомбардировщиками Су-24 составили ее основу. ВВС СССР к середине 1980-х годов располагали обширной аэродромной сетью, в состав которой входили стационарные аэродромы с бетонированным покрытием взлетно-посадочных полос, периодически меняющие свое положение аэродромы с грунтовыми ВПП и также резервные участки автомобильных дорог.
В 1980-х годах ВВС СССР принимали участие в войне в Афганистане. В этом конфликте использовались истребители-бомбардировщики Су-17, истребители МиГ-21 и МиГ-23, штурмовики Су-25, а также транспортные вертолеты Ми-8 и транспортно-боевые Ми-24. Они базировались на территории Афганистана. С территории СССР в боях действовали Су-24, а также бомбардировщики Дальней авиации - Ту-16, Ту-22М2 и Ту-22М3. Следует отметить, что Афганская война стала первым военным конфликтом, в котором приняли участие советские ударные вертолеты. За все время конфликта СССР потерял 107 самолетов и 324 вертолета.
В 1970-1980-х годах особую роль играла Дальняя авиация, на вооружение которой, в дополнение к уже существующим Ту-16 и Ту-95, поступили бомбардировщики Ту-22М2 и Ту-22М3. В 1984 году войска получили новый сверхзвуковой стратегический бомбардировщик Ту-160. Он имеет крыло изменяемой стреловидности и способен развивать скорость до 2,2 тысячи километров в час. Основной задачей Ту-160 был прорыв вражеской ПВО на сверхзвуковой скорости.
На Дальнюю авиацию теперь возлагались не только задачи по оперативному нанесению массированных ядерных ударов на территории потенциального противника, которым на тот момент считались США, но также и патрулирование государственных границ. Кроме того, бомбардировщики Ту-95 нередко привлекались к поиску в океане американских авианосных ударных групп. На базе Ту-95 также были выпущены противолодочный самолет Ту-142 и самолет дальнего радиолокационного обнаружения Ту-126.
В 1986 году в СССР началась разработка перспективного истребителя пятого поколения. Ответом на американскую программу ATF (по ее итогам появился истребитель F-22 Raptor) должны были стать советские МиГ-1.44 и С-37 (Су-47 "Беркут"). Самолеты должны были получить мощные двигатели, абсолютно новое бортовое оборудование, новые высокоточные средства поражения, а также радиолокационные станции с активной фазированной антенной решеткой. С-37 должен был стать прорывом в советской истребительной авиации - в конструкции самолета было использовано крыло с обратной стреловидностью, позволявшее значительно улучшить управляемость истребителя на малых и сверхзвуковых скоростях полета. Во всех перспективных истребителях предполагалось использовать технологию малозаметности.
В то же время происходил постепенный пересмотр концепции применения боевой авиации. Актуальность "собачьих боев" снижалась - стало ясно, что при текущем развитии вооружений решающее преимущество в воздухе получает уже не самый быстрый и ловкий самолет, а истребитель, способный обнаружить и уничтожить противника на как можно большем расстоянии. Именно такой принцип и учитывался при проектировании первых советских истребителей пятого поколения.
Все работы по этой программе были свернуты практически полностью в конце 1980-х - начале 1990-х годов - происходил распад СССР и вооруженные силы оказались не у дел.
В целом, за время "холодной войны" СССР удалось создать самые большие военно-воздушные силы в мире. К концу 1980-х годов на вооружении ВВС СССР стояли уже около десяти тысяч самолетов. Для сравнения, на вооружении ВВС США к 1990 году стояли около девяти тысяч различных самолетов. С распадом СССР ВВС страны были разделены между Россией и 14 независимыми республиками. 40 процентов всей авиационной техники получила Россия, при этом она стала единственной на постсоветском пространстве страной, обладающей стратегической авиацией.