В 1939 году, в соответствии с новой структурой РККА, в состав каждого стрелкового корпуса и дивизии введены вторые артиллерийские полки с зенитным артиллерийским дивизионом в каждом. В ноябре 1939 года в СССР началось создание мотострелковых дивизий. В каждую дивизию был введен зенитный дивизион. К этому времени в состав войск ПВО входили бригады ПВО, зенитные артполки, зенитные пулеметные полки, зенитные артдивизионы, отдельные зенитные артдивизионы механизированной тяги, отдельные зенитные пулеметные роты, полки прожекторов, полки аэростатов заграждения, другие части и подразделения.

В период с 1937 по 1940 год на вооружение РККА были приняты автоматические зенитные пушки калибров 25 мм, 37 мм и 45 мм, разработанные под руководством главного конструктора артиллерийского завода № 8 имени М.И.Калинина М.Н.Логинова. С июня по ноябрь 1940 года противовоздушную оборону РККА возглавлял Михаил Королев. Приказом народного комиссара обороны от 26 июля 1940 года образовано управление ПВО Красной Армии в составе НКО СССР. 27 декабря 1940 года оно преобразовано в Главное управление ПВО Красной Армии. На ГУ ПВО возложено руководство противовоздушной обороной территории страны.

1 октября 1940 года постановлением Совета народных комиссаров вся система местной ПВО перешла в ведение Наркомата внутренних дел СССР, в составе которого образовано Главное управление местной ПВО. В декабре 1940 года начальником Главного управления ПВО Красной Армии назначен Дмитрий Козлов.

В январе 1941 года вышло постановление СНК СССР «Об организации противовоздушной обороны». Противовоздушная обороны электростанций, гидросооружений, промышленных предприятий, железнодорожных и шоссейных мостов, ранее осуществлявшаяся частями НКВД, вновь передана Наркомату обороны. С февраля по март 1941 года противовоздушную оборону страны возглавлял Евгений Птухин. С марта по июнь 1941 года – Григорий Штерн.

Репрессии тридцатых и начала сороковых не обошли войска ПВО. Начальники управления Штаба РККА, Управления и Главного управления ПВО РККА комдивы Блажевич, Кучинский, комбриг Медведев, командарм I ранга Каменев, командарм II ранга Седякин, Герой Советского Союза, генерал-лейтенант авиации Птухин, Герой Советского Союза, генерал-полковник Штерн были арестованы и расстреляны.