В мае 1943 года генерал-майор авиации К. А. Вершинин назначен командующим 4-й воздушной армией, теперь входившей в состав Северо-Кавказского фронта. Во главе армии участвовал в невиданном к тому времени по размаху и ожесточённости воздушном сражении на Кубани в апреле-июне 1943 г. Там Вершинин широко применял постоянное дежурство авианаводчиков на переднем крае, массированное использование сил в ходе воздушных боёв (если ранее исключительным случаем был воздушный бой в составе полка, то над Кубанью с советской стороны зачастую одновременно вводились в бой до 5 истребительных полков и более) 4-я воздушная армия успешно действовала в Новороссийско-Таманской (сентябрь-октябрь 1943), Керченско-Эльтигенской десантной (ноябрь—декабрь 1943), Крымской стратегической (апрель—май 1944) наступательных операциях.
С марта 1946 года — Главнокомандующий Военно-воздушными силами — заместитель Министра обороны СССР. Руководил перевооружением ВВС на реактивную технику. Маршал авиации (3 июня 1946 г.). С сентября 1951 года — командующий войсками воздушной обороны приграничной линии — заместитель Главнокомандующего ВВС. С июня 1953 по май 1954 года — командующий Войсками ПВО страны. С июня 1954 по апрель 1956 года — командующий войсками Бакинского округа ПВО. В 1956—1957 годах — заместитель Главнокомандующего ВВС. С января 1957 года — вновь Главнокомандующий Военно-воздушными силами — заместитель Министра обороны СССР.
Главный маршал авиации (8 мая 1959 г.). С марта 1969 года — в Группе генеральных инспекторов Министерства обороны СССР
Скончался после тяжёлой болезни 30 декабря 1973 года на 74-м году жизни. Похоронен на Новодевичьем кладбище .
