Отечественная война застала Ф.Я. Фалалеева в Киевском особом военном округе, где он находился с инспекцией. Днём 22 июня 1941 года он вылетел из Луцка в Киев, где получил назначение на должность командующего ВВС 6-й армии, а затем – командующего ВВС Юго-Западного фронта. Под его руководством лётные части прикрывали и поддерживали с воздуха обороняющиеся сухопутные войска на Правобережной Украине. В этот период Ф.Я. Фалалеев принимает активное участие в руководстве боевыми действиями авиации по борьбе с танковыми и моторизованными группами противника, рвавшимися вглубь нашей страны. Талант авиационного военачальника он проявил в период проведения Ростовскихй оборонительной и наступательной операций осенью 1941 года. Воздушной разведке удалось своевременно выявить направление ударов крупных танковых группировок противника и сосредоточить для их поражения усилия всей имеющейся бомбардировочной авиации, а действиями истребителей прикрыть свои войска от воздействия авиации противника. За умелое руководство применением авиации при проведении этих операций генерал-майор авиации Ф.Я. Фалалеев был награжден первой наградой за войну – орденом Красной Звезды. В марте 1942 года для доклада о подготовке к предстоящей Харьковской операции в Ставку ВГК были вызваны командующий Юго-Западным фронтом маршал С.К. Тимошенко, член Военного совета Н.С. Хрущев, начальник штаба фронта генерал-лейтенант И.Х. Баграмян и командующий ВВС фронта генерал-майор авиации Ф.Я. Фалалеев. После доклада Верховный Главнокомандующий И.В. Сталин пригласил всех на ужин, где присутствовали члены Государственного Комитета Обороны, заместитель начальника Генерального штаба генерал-полковник А.М. Василевский и ряд наркомов. После ужина И.В. Сталин зачитал Постановление Совета Народных Комиссаров о присвоении Ф.Я. Фалалееву звания генерал-лейтенанта авиации. Это была высокая оценка роли командующего ВВС Юго-Западного фронта по организации действий авиации зимой 1941–1942 годов при проведении Елецкой и Барвенково-Лозовской операций. Весной 1942 года началось переформирование ВВС фронтов в воздушные армии. Решением ГКО началось формирование однотипных корпусов во всех родах авиации, в том числе с перевооружением на новую технику. Подготовленного лётного состава и, особенно, командиров среднего звена не хватало. Фалалеев обратился с предложением к командующему ВВС генерал-полковнику авиации А.А. Новикову с предложением о формировании в бомбардировочной и штурмовой авиации смешанных корпусов: две – три дивизии бомбардировщиков или штурмовиков и одну истребителей. В октябре 1942 года генерал-лейтенанта авиации Ф.Я. Фалалеева назначают начальником штаба, членом Военного Совета и заместителем командующего ВВС Красной армии. Будучи одним из руководителей управления ВВС, в условиях ожесточённых боёв под Сталинградом и на Кавказе, он все свои силы направляет на организацию эффективных действий авиации, чёткую и слаженную работу штаба и служб ВВС. Активно участвует в создании
