В октябре 1941 года самолеты МАГОН участвовали в переброске в район Орла 5-го воздушно-десантного корпуса. ПС-84 перевезли 5440 человек и 12,5 т грузов. В начале октября они летали на остров Даго в Балтийском море. Туда везли горючее и боеприпасы, обратно — раненых. Летали только ночью. Аналогичную работу выполняли «Дугласы» ВВС и морской авиации.
В начале октября ПС-84 стали действовать на «воздушном мосту» в окруженный Ленинград. В среднем за день они перевозили около 150 т продовольствия, иногда — до 200 т. Обычно экипаж делал два вылета в день: первый раз взлетали до рассвета, во второй — садились в сумерках. Обратно доставляли женщин и детей, ценных специалистов, а также орудия и минометы, которые продолжали выпускать ленинградские предприятия. Стремясь спасти как можно больше людей, самолеты нещадно перегружали. ПС-84 иногда вез 35–38 человек — почти вдвое больше нормы. Летали даже тогда, когда из-за непогоды немецкая авиация отсиживалась на земле. Одна только МАГОН вывезла из осажденного города более 29 000 человек. К 1 октября 1941 года общие потери ГВФ составили 36 ПС-84, к концу года — уже 69 (40 из них были уничтожены противником). Массовые полеты в Ленинград продолжались до января 1942 года.
Позднее авиация снабжала части 4-го воздушно-десантного корпуса и конномеханизированную группу генерала Белова, действовавшие за линией фронта. Летали ночью, совершая по два-четыре рейса за ночь. При этом экипажи каждые сутки проводили в воздухе по 8-10 часов. Парашютные мешки ПДММ и топливные баки ПДББ-100 выбрасывали вручную из дверей. Грузы в специальной упаковке сбрасывали без парашютов с высоты 70–80 метров.
Только с 21 января по 24 февраля 1942 года (период проведения Вяземской воздушно-десантной операции) авиагруппы ГВФ потеряли 25 ПС-84, из них за неделю с 29 января по 4 февраля в районе Калуги — 16, и еще семь было повреждено. В том числе девять машин сожгла немецкая авиация на передовых аэродромах.
20 января начальник ГУ ГВФ В. С. Молоков докладывал Сталину: «
В апреле 1942 года началось формирование транспортных полков ВВС. Это означало кардинальное изменение концепции военно-транспортной авиации в СССР. Раньше в мирное время ее как таковой не существовало. Имелась лишь эскадрилья (затем полк) особого назначения под Москвой, частично выполнявшая транспортные функции, и малочисленные транспортные отряды в округах. При необходимости военные арендовали технику гражданской авиации. В случае войны для перевозок собирались мобилизовать все подходящие самолеты ГВФ, а обеспечение десантных операций возлагалось на бомбардировочную авиацию. Но к началу 40-х годов уже накопленный опыт военных кампаний привел ВВС к необходимости иметь собственную транспортную авиацию, со специальной техникой и экипажами, подготовленными для переброски войск и воздушных десантов. Однако нехватка современных самолетов позволила реализовать эту идею лишь в 1942 году.
Было сформировано два гвардейских полка — 101-й и 102-й, со штатом 20 самолетов ПС-84 в каждом. Их объединили в 1-ю транспортную авиадивизию. Командовала дивизией известная летчица В. С. Гризодубова. 22 апреля 1942 года первые два экипажа дивизии совершили рейд к партизанам. Но уже в июле 1942 года дивизию сочли необходимым передать в Авиацию дальнего действия.
Применение Ли-2 в АДД постоянно расширялось. За 1942 год Авиация дальнего действия получила в общей сложности 221 самолет. В августе-сентябре на новую технику начали переходить полки 53-й и 62-й дивизий, ранее вооруженные бомбардировщиками ТБ-3.
К концу войны транспортный самолет Ли-2 стал самым массовым самолетом 18-й воздушной армии (в которую преобразовали АДД) — на них летали 19 авиационных полков. Всего за войну Дальняя авиация получила 1214 самолетов этого типа.
В операциях против Японии участвовали две дивизии на Ли-2 и С-47, переброшенные с запада, плюс части из Забайкалья и с Дальнего Востока. Самолеты высаживали посадочные десанты на аэродромах в Маньчжурии и снабжали горючим передовые механизированные отряды. Авиация также доставляла грузы на юг Сахалина.