27 июня 1941 года директивой Генштаба Курсы были преобразованы в Липецкий авиационный учебный центр (ЛАУЦ), основной задачей которого являлось формирование новых (маршевых) авиационных полков на пикирующих бомбардировщиках Пе-2.

Приказом начальника гарнизона от 9 июля 1941 г. в Липецке и районе было объявлено военное положение, сформирован штаб противовоздушной обороны района и организована служба воздушного наблюдения, оповещения и связи (ВНОС). Находившаяся на запасном аэродроме в городе Лебедяни 1-я учебная бомбардировочная эскадрилья (командир майор Н.В. Леденев) убыла на фронт в составе 52-й авиадивизии Дальней Авиации; 4-я учебная истребительная эскадрилья на самолетах И-153 во главе с командиром майором И.И. Новиковым убыла на прикрытие города Воронежа; 5-я учебная истребительная эскадрилья под командованием майора Н.Ф. Божинского на самолетах И-16 вошла в систему ПВО Липецкого района. В составе ЛАУЦ остались 2-я и 3-я эскадрильи (командиры майор П.И. Большунов и майор С.И. Стахов). Перечисленные мероприятия осуществлялись за счет штатной численности Центра, в результате чего значительно сократилось число опытных специалистов, прежде всего летчиков. В сложившихся условиях появилась специальная директива Главного штаба ВВС, категорически запрещавшая дальнейшее отвлечение постоянного состава из штата учебного Центра в части действующей армии.

Переформирование еще не закончилось, когда из Москвы поступило распоряжение: «Спешно, для формирования авиационных полков, переучить на пикирующий бомбардировщик Пе-2 курсантов-пилотов, окончивших Тамбовское, Чкаловское и Энгельское училища». К 1 июля в Липецк прибыло 238 курсантов. Вслед за ними на аэродром Липецк-2 заводские летчики перегнали дюжину бомбардировщиков Пе-2. Но с первых же дней стала очевидной невозможность выполнения поставленной задачи. Начались катастрофы, которые чаще всего проходили по одному «сценарию». Оторвавшись от земли и набрав высоту 20—30 м, самолет круто переходил в набор высоты, заваливался на крыло и падал. Экипаж, как правило, погибал. Причина — недостаток опыта: невыдерживание режима взлета вело к сваливанию.

Положение спасло по-своему мудрое и своевременное решение главкомата ВВС: «Личному составу бомбардировочных полков, оставшемуся без материальной части, немедленно, всеми способами и любым транспортом следовать в Липецк в распоряжение Вершинина». К 30 июля в строевом отделе было зарегистрировано 4312 вновь прибывших, что позволило поставить на поток подготовку маршевых авиационных полков. Следует упомянуть имена тех, на чьи плечи в первую очередь легла организация выполнения этой ответственейшей задачи. Начальник Центра полковник К.А. Вершинин, его заместители: полковник Г.Я. Ломан (по летной подготовке) и комиссар Н.Д. Лебедев (по политчасти), начальник штаба полковник С.Г. Ручко, которого вскоре сменил полковник В.Н.Матвеев, главный инженер полковник технической службы А.Ф. Илюхин, начальник учебно-летного отдела полковник В.В. Кшимовский и его заместитель полковник И.П. Лаппо.

Формирование новых частей проходило на аэродроме Венера. Погожим ранним утром 19 июля 1941 г. три десятка блестящих свежей краской бомбардировщиков в последний раз прошли четким строем над аэродромом. Первый маршевый авиаполк под командованием капитана Богомолова отправился на фронт.

Осенью возникла реальная угроза нанесения противником бомбовых ударов по Липецку. Первоначально боевое дежурство 5-й истребительной эскадрильи в системе ПВО Липецкого района выполняли шесть летчиков постоянного состава: слушатели в спешном порядке убыли в свои части. Дежурили парами: два часа в кабине, четыре часа отдыха и снова в кабину. Потом летчиков прибавилось за счет инструкторов Ульяновской летной школы, выпускников Качи и Одессы. Бывшие курсанты прибыли в гражданской одежде и довольно долго не могли экипироваться. Никто из них не летал до этого на истребителях, но переучивание прошло без особых ЧП. К началу войны эскадрилья насчитывала 60 боевых и учебных самолетов, на каждого техника приходилось по 2—3 машины. Воздушное прикрытие на начальном этапе имело больше моральный, чем практический эффект. Телефонные сообщения службы ВНОС поступали с большим запозданием. Зачастую звонок: «В вашу сторону летит бомбардировщик» раздавался, когда «юнкерс» был уже над аэродромом. Летали немецкие самолеты чаще всего на большой высоте, около 5000 м. Если учесть, что скорости И-16 и Ju88 были почти одинаковыми, то перехваты истребителей «на зрячего» практически ничего не давали.

Приказом от 12 октября 1941 г. 5-я учебная эскадрилья переформировывалась в 591-й истребительный полк с включением его в состав 52-й авиационной дивизии дальнего действия 2-й воздушной армии. Командиром полка был назначен майор Н.Ф. Божинский. В своем составе полк имел три эскадрильи: 1-я летала на самолетах МиГ-3, 2-я - на И-153, 3-я - на И-16. Вплоть до лета 1942 года полк в полном составе редко базировался в одном месте. Например, первоначально 1-я эскадрилья находилась на аэродроме Липецк-2 — Венера, 2-я — на аэродроме Липецк-1 в черте города, 3-я — на Сокольском аэродроме. Затем, 1-я — в Ельце, 2-я — в Липецке, 3-я — в Волово и так далее. Помимо вылетов по воздушному прикрытию выполнялась штурмовка наземных войск. В итоге за 1941 г. было уничтожено 20 самолетов противника, более 3,5 тысяч солдат и офицеров, много военной техники. Но и полк нес потери — в 1941 — 1942 гг. погибло 18 человек. Летом 1942 г. полк стал постепенно переходить на Як-1. Собирали самолеты в Тамбове, куда они поступали в разобранном виде. Досконально их конструкцию никто не знал, при сборке руководствовались сопроводительной документацией.

После того как 1-ю эскадрилью посадили на Мичуринский аэродром, летный состав начал переучиваться на Ла-5. Освоение этого самолета проходило более основательно. На завод в Горький от полка была направлена группа для изучения его конструкции и особенностей эксплуатации. Собранные самолеты перегонялись своими силами в Стригино (довоенный Горьковский аэропорт), а оттуда перелетали в Грязи. На этом типе истребителей полк воевал до самой Победы.

Полк принимал участие в боях на Курской дуге, в операции «Багратион» по освобождению Белоруссии. Май 1945 г. застал 591-й иап в Модлине (г. Новы Двур вблизи Варшавы). После войны полк нес боевое дежурство в системе ПВО вплоть до расформирования в 1958 году.