En 1942, l'armée allemande est aux portes de Moscou et le général de Gaulle décide la création d'une unité des FAFL (Forces aériennes françaises libres) pour combattre sur le front de l'Est. Après avoir quitté l'Ecosse en août 1942, le regroupement des premiers pilotes a lieu sur la base de Rayak au Liban et à Téhéran. Le 29 novembre 1942, les 14 premiers pilotes et leur trentaine de mécaniciens français arrivent sur la base d'Ivanovo à 250 km au nord-est de Moscou et prennent comme nom de baptême, groupe de chasse n° 3 "Normandie". En juillet 1943, des mécaniciens soviétiques remplacent les mécaniciens français.
En 1944, les pilotes prennent part à l'appui du franchissement du fleuve Niémen par les troupes soviétiques et le 21 juillet 1944, sur décision du maréchal Joseph Staline, le groupe prend l'appellation de régiment de chasse "Normandie-Niémen".
Equipées d'avions de chasse soviétiques Yak-9, les trois escadrilles de l'unité ("Rouen", "Le Havre" et "Cherbourg") effectuent plus de 5 000 missions en Allemagne et en URSS, livrent plus de 800 combats aériens et remportent 273 victoires. Ces faits d'arme valent au régiment d'être fait "Compagnon de la Libération" par le général de Gaulle.

A l'occasion du retour triomphal du régiment en France, le maréchal Staline fait don à l'unité de 41 avions de chasse Yak-3.

Le régiment effectue plusieurs escales en Allemagne et en France avant son retour définitif sur l'aéroport du Bourget. Au cours d'une prise d'armes, le drapeau de l'unité est décoré de l'étoile d'or de "Héros de l'Union soviétique" par monsieur Bogomolov, ambassadeur d'URSS en France. La cérémonie s'achève par un vin d'honneur.