Sau cuộc "Chỉnh lý" lên nắm quyền, tướng Nguyễn Khánh thực hiện một số cải tổ trong Quân đội. Ngoài việc đặt ra thêm cấp bậc Chuẩn tướng, ông còn cho thay đổi tên gọi "Quân đội Việt Nam Cộng hòa" thành "Quân lực Việt Nam Cộng hòa". Danh xưng Không Lực Việt Nam Cộng Hòa cũng được sử dụng chính thức từ lúc đó.

Năm 1965, Không lực Việt Nam Cộng hòa có thêm các Phi đoàn Khu trục cơ A-37 Dragonfly và sau đó là các Phi đoàn Không vận cánh quạt loại lớn C.130 Hercules và trực thăng CH.47 Chinook.

Ngày 3 tháng 2 năm 1965, một Phi đoàn gồm 24 chiếc A-1H Skyraider do Thiếu tướng Nguyễn Cao Kỳ chỉ huy cất cánh từ Căn cứ Không quân Đà Nẵng và tham gia vào Chiến dịch Mũi tên lửa (Flaming Dart) do Hoa Kỳ vạch định, tấn công các địa điểm ở phía bắc Vĩ tuyến 17[11]

Ngày 11 tháng 2 năm 1965, Đại tá Nguyễn Ngọc Loan, Tư lệnh phó Không lực Việt Nam Cộng hòa, làm Phi đoàn trưởng 28 chiếc Skyraider của Việt Nam Cộng hòa cùng với 28 chiếc F100 của Không quân Hoa Kỳ mở cuộc tấn công thứ hai vào lãnh thổ phía bắc Vĩ tuyến 17. Trong đợt này phi công Phạm Phú Quốc bị bắn rơi trên bầu trời miền Bắc Việt Nam[12]

Năm 1967, Không Lực Việt Nam Cộng hòa có thêm 1 Phi đoàn Khu trục trang bị phản lực cơ F-5. Số hiệu của các đơn vị cấp Phi đoàn được cải tổ xếp thành 3 số. Theo đó, chữ số đầu trong 3 chữ số của đơn vị cấp phi đoàn được dùng để chỉ công dụng của phi đoàn đó: số 1 là liên lạc, số 2 là trực thăng, số 3 là đặc vụ, số 4 là vận tải, số 5 là khu trục, số 7 là quan sát, số 8 là máy bay cường kích, và số 9 là huấn luyện.[10]

Năm 1970, với đà phát triển nhanh của Không Lực Việt Nam Cộng Hòa, các Không đoàn Chiến thuật phát triển thành 4 Sư đoàn không quân[13], tác chiến hỗ trợ cho 4 Vùng Chiến thuật. Năm 1971, Sư đoàn 5 Không quân được thành lập và trở thành Lực lượng Không quân Trừ bị của Bộ Tổng Tham mưu. Năm 1972, thành lập thêm tại Quân khu 2 Sư đoàn 6 chịu trách nhiệm vùng trời chiến trường Cao nguyên Trung phần.

Tính đến cuối năm 1974, Không lực Việt Nam Cộng hòa có tổng số quân lên tới 62.583, trong đó có 6.788 phi công; tổng số máy bay lên tới 1.850 chiếc, trong đó có 260 máy bay tiêm kích, số còn lại là máy bay ném bom, trinh sát, vận tải và trực thăng. Chất lượng máy bay cũng cải tiến (thay F-5A bằng F-5E).

Năm 1975, Không lực Việt Nam Cộng hòa có 5 Sư đoàn Không quân tác chiến (20 Phi đoàn Khu trục cơ với khoảng 550 phi cơ A-1H Skyraider, A-37 Dragonfly, và F-5, 23 Phi đoàn Trực thăng với khoảng 1.000 trực thăng UH-1 Iroquois và CH-47 Chinook, 8 Phi đoàn quan sát với khoảng 200 phi cơ O-1 Bird Dog, O-2 Skymaster, và U-17), 1 Sư đoàn Vận tải (9 Phi đoàn vận tải với khoảng 150 phi cơ C-7 Caribou, C-47 Skytrain, C-119 Flying Boxcar, và C-130 Hercules), 1 Không đoàn Tân trang Chế tạo, 4 Phi đoàn hỏa long (attack squadron) với các phi cơ Fairchild AC-119, Lockheed AC-130. Ngoài ra còn có các Phi đoàn Trắc giác (tình báo kỹ thuật), Phi đoàn Quan sát, và Biệt đoàn Đặc vụ 314.