1941年6月22日，巴巴羅薩計劃啟動，納粹德國入侵蘇聯。這一天，蘇聯全國上下轉入戰爭狀態，蘇聯開始在全國範圍內進行戰爭動員。次日，蘇軍最高統帥部成立，以蘇聯領導人斯大林為首的蘇聯紅軍開始艱苦卓絕的衛國戰爭。在長達五年的衛國戰爭中，蘇軍最高統帥部將其參戰部隊編為各方面軍，統一協各個戰場上的作戰，這也是第二次世界大戰爆發以來規模最大的大兵團機動作戰。
縱觀整個蘇德戰爭的歷史，蘇軍各方面軍的編制變更的十分頻繁，究其原因是蘇軍最高統帥部是依據各方面軍的作戰區域、作戰任務、戰略目標等諸因素來對各方面軍進行變更。當一個方面軍的既定作戰任務達成後，在進行下一個戰略任務時蘇軍最高統帥部一般會對各方面軍編制有所變更以適應作戰部署。
在蘇德戰爭初期，由於德軍的巴巴羅薩計劃對於蘇聯方面的突然性，蘇聯紅軍在戰爭初期一直處於被動局面，為了加強對軍隊的指揮與協調，蘇軍統帥根據德軍的三個戰略進攻方，將蘇聯西部各邊境軍區改編為各方面軍以應對德軍各方向的進攻。具體為：原列寧格勒軍區改編為北方方面軍；將原波羅的海軍區改編為西北方面軍；將原西部特別軍區改編為西方面軍；將原基輔軍區改編為西南方面軍；將原敖德薩軍區改編為南方面軍，8月份又將原南高加索軍區改編為南高加索方面軍。蘇軍最高統帥部對蘇軍各方面軍的命名大膽而直接，以至於從各方面軍的番號就可以看出蘇軍各方面軍的主要戰略方向。
同時為應對蘇德戰爭初期蘇軍部隊的大量減員，蘇軍最高統帥部決定成立預備役方面軍。蘇軍最高統帥部參謀長朱可夫就曾在被解職後擔任過預備役方面軍司令員。預備役方面軍雖然名稱為預備役，但在1941年8月份的耶爾尼亞戰役中殲滅德軍近五個師，取得了不俗的戰績。在1941年7月份的斯摩稜斯克戰役中，蘇軍最高統帥部將西方面軍的第13集團軍和第21集團軍編成中央方面軍。在基輔戰役中，蘇軍紅軍又組建了布良斯克方面軍，隨後8月26日，蘇軍最高統帥部撤銷了中央方面軍的番號。中央方面軍的存在僅僅不到一個月。
在1941年9月份的莫斯科戰役中，面對德軍中央集群發動的凌厲攻勢，西方面軍、布良斯克方面軍、預備役方面軍合併為西方面軍，朱可夫大將任司令，統一協調部署莫斯科保衛戰。1941年10月德軍突襲加里寧格勒，蘇軍最高統帥部將加里寧格勒地區的蘇軍部隊改編為加里寧方面軍，以掩護西方面軍右翼。西面軍、加里寧方面軍和西南方面軍共同構成了莫斯科戰役中蘇軍防線。莫斯科戰役進行到12月，德軍的進攻已越發吃力，蘇軍逐漸穩住了陣腳，加里寧方面軍率先反攻，西方面軍和西南方面軍隨後也轉入反攻，德軍被迫全線撤退。鑑於西方面軍和西南方面軍結合部防禦不足，12月18日，蘇軍最高統帥部又恢復了布良斯克方面軍。
在北線戰場，為應對德軍對列寧格勒步步緊逼的形勢，蘇軍最高統帥部將北方面軍分編為卡累利阿方面軍和列寧格勒方面軍，以便於蘇軍在列寧格勒內外兩線更好地作戰。1941年11月，在兩個方面軍的相互配合下，德軍北方集團軍群遭到了強有力的阻擊，雙方在列寧格勒地區維持著拉鋸戰。此外在莫斯科戰役開始反攻之際，為配合蘇軍在莫斯科的反攻，蘇軍第52集團軍和第4集團軍在北線戰場將德軍擊退之沃爾霍夫河，並牽制了大量的德軍使之無法增援莫斯科方向。蘇軍最高統帥部順勢組建沃爾霍夫方面軍，自此，在蘇德戰場北線蘇軍用這三個方面軍牽制了大量德軍的北方集團軍群部隊，有力地支持了莫斯科戰役和日後的斯大林格勒戰役。
在莫斯科戰役末期，蘇軍南高加索方面軍抓住戰機，發動克赤-菲奧多西亞反攻，有力地緩解了克里米亞半島上塞瓦斯托波爾的戰況。一直到1942年1月8日，在蘇德戰場上蘇聯方面一共組建了十個方面軍，由北線至南線依次為卡累利阿方面軍、列寧格勒方面軍、沃爾霍夫方面軍、西北方面軍、加里寧方面軍、西方面軍、布良斯克方面軍、西南方面軍、南方方面軍、南高加索方面軍。在1942年5月份德軍發動斯大林格勒戰役前夕，蘇聯又一次調整前線蘇軍部署。沃爾霍夫方面軍被取消方面軍編制，改隸於列寧格勒方面軍。南高加索方面軍基於其戰略任務和作戰方向先後改稱為克里木方面軍、北高加索方面軍。
1942年6月，德軍開始實施“藍色”計劃和“克勞塞維茨”計劃，企圖合圍殲滅蘇軍西南方面軍，並佔領斯大林格勒和高加索地區。在蘇軍布良斯克方面軍的防線被突破之後，蘇軍最高統帥部決定組建沃羅涅日方面軍，以阻擋德軍的深入。到了7月份，德軍日益逼近斯大林格勒，蘇軍最高統帥部決定撤銷西南方面軍並組建斯大林格勒方面軍以保衛斯大林格勒。但是由於德軍猛烈的攻勢，斯大林格勒外圍防線一步步被德軍突破，在斯大林格勒戰鬥最為激烈之時，蘇軍最高統帥部為了便於指揮，將斯大林格勒方面軍一分為二，編為東南方面軍和斯大林格勒方面軍，分別負責斯大林格勒的南線和西線防禦。
9月份德軍攻入斯大林格勒市區，與蘇軍展開激烈的巷戰。9月28日，由於原有的兩個方面軍下各集團軍與趕來支援的各部隊的戰線已漸趨混亂。蘇軍最高統帥部下令東南方面軍改稱為斯大林格勒方面軍，斯大林格勒方面軍改稱為頓河方面軍。在德軍另一個進攻方向——高加索地區，蘇軍南方面軍和北高加索方面軍合併為北高加索方面軍，同時在一個月之前新組建的南高加索方面軍向北移動以接應北高加索方面軍，隨後北高加索方面軍被撤銷，改為南高加索黑海集團軍群。
在北線和中線，為了支援大林格勒和高加索地區的蘇軍，蘇軍的西北方面軍、列寧格勒方面軍在北線和中線組織數次攻勢，有意者牽制了中部和北部的德軍。同時，蘇軍統帥部下令恢復沃爾霍夫方面軍的番號，並一起投入到北線和中線戰場的進攻中。1942年10月底，蘇軍最高統帥部決定重建西南方面軍。隨後，重建後的西南方面軍。連同頓河方面軍、斯大林格勒方面軍發動斯大林格勒戰役大反攻，將德軍壓縮在不足1500平方公里的包圍圈中，1943年2月，德軍被全殲，斯大林格勒戰役結束。其中頓河方面軍在斯大林格勒戰役中圍殲了保盧斯集團後，改稱中央方面軍。
時間進入1943年，斯大林格勒方面軍改稱南方面軍。蘇軍的南高加索方面軍聯合南方面軍和西南方面軍發動反攻一舉解放了北高加索地區，1月24日，蘇軍南高加索方面軍北方集群改稱為北高加索方面軍。斯大林格勒戰役結束後，蘇軍最高統帥部認為蘇軍已經充分掌握優勢，遂開始發動反攻，但由於在反攻中布良斯克方面軍進攻不利，3月12日布良斯克方面軍被撤銷，其部隊被分別劃歸西方面軍和中央方面軍。
1943年7月，庫爾斯克會戰爆發，蘇軍中央方面軍、西南方面軍、南方面軍參戰。在庫爾斯克中央地帶蘇軍最高統帥部部署了莫斯科會戰後新組建的預備役方面軍，在會戰開始後改稱為草原方面軍。同時為了補充庫爾斯克會戰中作戰部隊，布良斯克方面軍重建並投入戰鬥。
1943年9月，蘇軍強渡第聶伯河，打開了收復烏克蘭和白俄羅斯的通道，1943年10月20日，蘇軍最高統帥部對蘇軍各方面軍番號進行了最後一次大變更。沃洛涅日方面軍改稱為烏克蘭第1方面軍，草原方面軍改稱為烏克蘭第2方面軍，西南方面軍改稱為烏克蘭第3方面軍，南方面軍改稱為烏克蘭第4方面軍（後來蘇軍的高加索部隊陸續併入），中央方面軍改稱為白俄羅斯方面軍，加里寧方面軍改稱為波羅地海沿岸第1方面軍，西北方面軍和布良斯克方面軍一部分改稱合併為波羅的海沿岸方面軍，後又改稱為波羅地海沿岸第2方面軍。這次對蘇聯紅軍各方面軍番號的更改彰顯了蘇聯紅軍要一口氣徹底收復蘇聯全境的魄力。
1944年1月，沃爾霍夫方面軍、列寧格勒方面軍、波羅地海沿岸第2方面軍和紅旗波羅地海艦隊發動列寧格勒戰役，一舉解放列寧格勒。為了統一指揮，沃爾霍夫方面軍全軍編入列寧格勒方面軍，沃爾霍夫方面軍被撤。2月，白羅斯方面軍改稱為白羅斯第1方面軍，布良斯克方面軍經整編後改編為白俄羅斯第2方面軍，4月，西方面軍經整編後改編為白俄羅斯第3方面軍。經過這次部隊調整之後，蘇軍基本對德戰鬥序列已經確定，分別為：烏克蘭第1、2、3、4方面軍；波羅的海沿岸第1、2方面軍；白俄羅斯第1、2、3方面軍；列寧格勒方面軍；卡累利阿方面軍。蘇軍這十一個方面軍將從烏克蘭、白俄羅斯、黑海一直打到斯堪迪納維亞、匈牙利、羅馬尼亞、巴爾幹、波蘭最後攻克納粹德國的老巢——柏林。
在柏林戰役結束後，蘇聯紅軍方面軍的戰鬥序列調整還有一個小彩蛋。在納粹德國投降後，根據《雅爾塔協議》，蘇聯對日宣戰，蘇軍從西線戰場抽調兵力，在遠東方面組建了貝加爾方面軍、遠東第1方面軍、遠東第2方面軍三個方面軍，由華西列夫斯基領導，1945年8月8日，蘇軍三個方面軍共150萬人以雷霆之勢橫掃70萬關東軍。給二戰中蘇軍方面軍不斷調整的戰鬥序列畫上了一個炫酷的句號。
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