Zu Beginn des Zweiten Weltkrieges beteiligte sich Australien am Empire Air Training Scheme. Dieses sah eine gemeinsame Ausbildung von Piloten aus allen Teilen des Britischen Empire vor, um in kurzer Zeit viele Piloten für den Kampf gegen die Achsenmächte auszubilden. Insgesamt kamen während des Krieges 19 australische Geschwader unter britischem Kommando zum Einsatz. Die meisten Einheiten wurden auf den Britischen Inseln stationiert, jedoch gab es auch Einsätze im Mittelmeerraum und Nordafrika. Einige australische Besatzungen wurden auch an Bord von Bombern der Royal Air Force eingesetzt.
Am 19. Februar 1942 griffen japanische Bomber die australische Stadt Darwin an. Die australische Regierung sah nun erstmals ihr eigenes Territorium bedroht und begann, Verbände der Luftstreitkräfte aus Europa abzuziehen. Aus Mangel an eigenen Flugzeugen wurden zusätzlich britische und US-amerikanische Kampfflugzeuge importiert. Hierbei bewährte sich besonders die Bristol Beaufighter, die den japanischen Maschinen deutlich überlegen war. Ende 1942 begann die Produktion des ersten komplett in Australien entwickelten Kampfflugzeuges, der CA-12 Boomerang. Die RAAF war ab 1943 wesentlich an der Rückeroberung besetzter Gebiete im Pazifik beteiligt.
Sie flog auch mehrere Bombenangriffe auf Japan mit in den USA produzierten B-24-Bombern. Knapp 100 australische Bomber waren zwischen dem 25. Februar und 9. März 1945 an den schweren Luftangriffen auf Tokio beteiligt. Der Angriff vom 9. März (in Japan: 10. März) 1945 gilt mit über 100.000 Toten innerhalb weniger Stunden als der opferreichste konventionelle Bombenangriff der Menschheitsgeschichte, die Zahl der Opfer überstieg die der Atombombenabwürfe auf Hiroshima und Nagasaki.
Insgesamt waren etwa 20.000 Piloten der RAAF während des Krieges im Einsatz. Die RAAF umfasste zu diesem Zeitpunkt 219.600 Personen, von denen 11.061 im Krieg ums Leben kamen.
In den folgenden Jahrzehnten konzentrierte sich die RAAF auf die logistische Luftunterstützung bei militärischen Interventionen und Friedenseinsätzen der Vereinten Nationen, wobei die Transporthubschrauber 1989 außer Dienst gestellt und ein Teil an die australischen Heeresflieger zum Weiterbetrieb abgegeben wurde. Besondere Beachtung erfuhr 1999 die Friedensmission in Osttimor (INTERFET), die unter australischem Kommando stattfand. Während des Irakkrieges 2003 wurden zum ersten Mal seit dem Vietnamkrieg wieder australische Kampfflugzeuge eingesetzt. F/A-18 flogen gemeinsam mit britischen Tornados mehrere Bombenangriffe auf Ziele im Zentrum des Irak. Auch waren australische Kampfflugzeuge an der Überwachung des Luftraums beteiligt. Kritisiert wurde, dass von offizieller Seite keine Angaben über die Einsätze gemacht wurden.
Die RAAF nimmt seit Oktober 2014 mit bis zu acht F/A-18 an den Luftangriffen gegen den Islamischen Staat in Irak teil.[4]
Die Royal Australian Air Force betreibt Stützpunkte in ganz Australien. Air-Force-Angehörige arbeiten in vielen weiteren Militärstützpunkten und Büros. Die Militärflugplätze sind Heimat der den jeweiligen „Groups“ unterstehenden „Wings“, die sich teilweise auf mehrere Plätze verteilen. Ihnen unterstehen jeweils eine oder mehrere „Squadrons“ als fliegende oder nicht fliegende Einheiten. Im Folgenden sind nur die wichtigsten Flugstaffeln aufgelistet.
RAAF Base Amberley, Brisbane, Queensland, Haupteinsatzbasis der strategischen Tanker und Transporter der No. 33 und No. 36 Squadron sowie Kampfflugzeugen der No. 1 und No. 6 Squadron (A330/KC-30, C-17, F/A-18F, EA-18G)
RAAF Base Williamtown, Newcastle, New South Wales, Haupteinsatz- und Trainingsplatz für die Kampfflugzeuge der No. 3, No. 76 und No. 77 Squadron der No. 2 Operational Conversion Unit (Hawk, F-35A) sowie der Frühwarnflugzeuge der No. 2 Squadron (E-7)
RAAF Base Pearce, Perth, Western Australia, Trainingsstützpunkt mit der 2. Flying Training School und der No. 79 Squadron (PC-9, Hawk). Die RSAF nutzt den Platz ebenfalls.
Es gibt im Norden des Landes drei sogenannte bare bases, Pisten mit Basiseinrichtungen, welche die australische Luftwaffe im Ernstfall kurzfristig aktivieren kann: