В годы Великой Отечественной войны Вершинин сначала командовал Военно-Воздушными Силами Южного фронта, а затем 4-й воздушной армией, прошедшей с боями от предгорий Кавказа до Берлина. В тесном взаимодействии с общевойсковыми и танковыми армиями авиация под командованием Вершинина вела напряженную борьбу с врагом за каждый оборонительный рубеж и уничтожала подходившие резервы.

 
Воздушные сражения на Кубани положили начало стратегическому господству советской авиации в воздухе и на всем советско-германском фронте. Этот успех во многом был результатом деятельности Вершинина. Под его руководством 4-я воздушная армия вместо эпизодических ударов, наносимых на широком фронте, перешла к непрерывной поддержке пехоты и танков массированными действиями бомбардировщиков и штурмовиков. Благодаря этому увеличились темпы наступления сухопутных войск.

 
В тяжелейший период отступления РККА в начале войны Вершинин в короткое время организовал боевую работу ВВС, сумел наладить как действия летных частей, так и планирование боевой деятельности частей тыла, эксплуатации и восстановления материальной части. Армия Вершинина приняла активное участие в освобождении Белорусской ССР и Польши, боях в Восточной Пруссии и Берлинской операции.

Вершинин умело провел воздушную операцию по дезорганизации бомбардировочными действиями оперативного тыла врага, в результате чего был разрушен ряд стратегических железнодорожных узлов, а в районах сосредоточения своих отступающих войск противник понес значительные потери. Кроме того, Вершинин наладил работу воздушной разведки, которая обеспечивала командование фронта и наземных армий своевременными и достоверными данными о положении вражеских войск.

 
После войны Вершинин продолжал работать над развитием и совершенствованием советской авиации, стоял у истоков космонавтики.