Боевое крещение полка состоялось 17 сентября 1939 г – в первый же день польской кампании, проведенной Красной Армией и закончившейся присоединением к СССР Западной Украины и Западной Белоруссии. В день окончания боевых действий на западе – 28 сентября – 31-й СБАП перебазировался на аэродром «Балбасово», где вошел в подчинение командованию ВВС 11-й армии, и вскоре – 25 ноября – вновь вернулся на свой родной аэродром «Смоленск».
Через месяц после начала финской кампании – в конце декабря 1939 г. – полк перебазировался на аэродром «Чернево», вошел в состав 16-й авиабригады Ленинградского военного округа и с 5 января 1940 г. до самого окончания боев принимал активное участие в действиях на советско-финском фронте. За этот период полк сбросил 11 807 бомб различного калибра, в воздушных боях было сбито 17 истребителей противника. Потери полка составили 23 человека. После окончания финской кампании – 17 марта – полк вновь возвратился в Смоленск, а 7 апреля 1940 г по итогам прошедших боев трем летчикам и одному воздушному стрелку-радисту были присвоены звания Героев Советского Союза, в том числе комэску Константину Орлову, направившему горящий бомбардировщик на скопление вражеской пехоты и техники, – посмертно.
2 июня 31-й СБАП был переведен на Балтику и вошел в состав 18-й авиабригады, базировавшейся в Латвии. С началом Великой Отечественной войны 31-й СБАП участвует в боевых действиях. 22 июня в 7 утра полк поднимается на бомбардировку сил противника в район г. Таураге. А через день – 24 июня – летчики полка бомбят г. Тильзит в Восточной Пруссии. Это был первый удар советских бомбардировщиков по территории противника.
Но вскоре полк выводится с фронта в резерв и направляется в Москву для переучивания на Пе-2, а с 15 июля 1941 г. переформировывается по новым штатам и становится 31-м пикирующим бомбардировочным авиаполком. По окончании переучивания и укомплектования – 9 сентября – полк перебрасывается на Северо-Западный фронт, входит в состав 55-й смешанной авиадивизии и вступает в боевые действия. А через три месяца боев, 6 декабря 1941 г., приказом Наркома обороны СССР №350 «за проявленную отвагу в боях, за мужество и героизм личного состава» 31-й ПБАП был переименован в 4-й гвардейский пикирующий бомбардировочный авиационный полк, став первой в СССР бомбардировочной авиачастью, удостоенной гвардейского звания. Всего в этот день (а это был первый день присвоения авиационным полкам этого почетного звания) гвардейскими стали четыре истребительных полка и по одному бомбардировочному и штурмовому.
Затем в составе Волховского и Ленинградского фронтов 4-й гвардейский полк участвует в боях под Тихвином, в Синявинской операции, в обороне Ленинграда, а после – и в прорыве его блокады. В 1943 г. в состав полка вошла эскадрилья ночных бомбардировщиков, вооруженная самолетами Ил-4, СБ и Р-5. По мере продвижения линии фронта на юг полк участвует в боях в составе 2-го и 3-го Прибалтийских и 3-го Белорусского фронтов. В январе 1944 г. принимает участие в Новгородско-Лужской операции, а 20 января «за отличие в боях при освобождении Новгорода» полк становится именным – 4-м гвардейским ближнебомбардировочным Новгородским авиаполком.
Войну 4-й ГвББАП закончил в Восточной Пруссии, действуя в составе 6-й гвардейской бомбардировочной авиадивизии 15-й воздушной армии. Всего за годы войны полком совершено около 4 тыс. боевых вылетов, сброшено 39 тыс. бомб, в воздушных боях сбито 43 истребителя противника, более 90 самолетов было уничтожено на земле. Бомбовыми ударами уничтожено 280 танков, 125 артиллерийских и минометных батарей, 11 мостов, 22 железнодорожных эшелона, 900 автомашин, 4 форта, более двух полков живой силы, потоплено 4 вражеских транспорта. За годы войны полк потерял 164 человека. Три летчика, один штурман и один воздушный стрелок-радист были удостоены звания Героев Советского Союза. Всего же, по итогам финской кампании и Великой Отечественной войны, полк гордится девятью своими Героями Советского Союза.