Po powrocie z Chin, we wrześniu 1938 został mianowany szefem szkolenia Sił Powietrznych Armii Czerwonej. W latach 1939–1940 dowodził wojskami lotniczymi 2 Samodzielnej Armii, a w 1940 objął dowództwo sił lotniczych Frontu Dalekowschodniego. W grudniu 1940 został mianowany I zastępcą, a w kwietniu 1941 szefem Zarządu Głównego Sił Powietrznych RChACz. 4 czerwca 1940 otrzymał awans na stopień generała porucznika lotnictwa.
Wkrótce po ataku Niemiec na ZSRR, w oparciu o Zarząd Główny Sił Powietrznych, został sformowany Sztab Sił Powietrznych RKKA. 29 czerwca 1941 Pawieł Żygariew został mianowany dowódcą Sił Powietrznych Armii Czerwonej. 22 października 1941 został awansowany na stopień generała pułkownika lotnictwa.
Stanął na czele Sił Powietrznych w najtrudniejszym okresie wojny niemiecko-radzieckiej, brał udział w planowaniu operacji wojskowych i kierował lotnictwem radzieckim w bitwie pod Moskwą. W marcu 1942 został zwolniony przez marsz. Józefa Stalina ze stanowiska dowódcy Sił Powietrznych RKKA.