Per Antrąjį pasaulinį karą Voronežas buvo žiaurių kovų tarp Rusijos ir Ašies pajėgų vieta. Vokiečiai jį naudojo kaip išvykimo zoną puolimui į Stalingradą ir padarė jį pagrindiniu perėjimo tašku prie Don upės. 1941 m. birželį Voronežo kasyklose buvo pastatyti du BM-13 (Katyusha) artilerijos įrenginiai. Liepos mėn. "Katyūšų" konstrukcija buvo racionalizuota, kad jų gamyba taptų lengvesnė, o šaudymo kartojimų laikas buvo sutrumpintas nuo penkių minučių iki penkiolikos sekundžių. Daugiau nei 300 Voroneže pagamintų BM-13 buvo panaudoti 1941 m. gruodį priešpuolime prie Maskvos. 1941 m. spalio 22 d. artėjančios vokiečių pajėgos paskatino įkurti gynybos komitetą mieste. 1941 m. lapkričio 7 d. įvyko karių paradas, skirtas Spalio revoliucijos metinėms. Tąmet buvo surengta tik trys tokie paradai: Maskvoje, Kuibševe ir Voroneže. 1942 metų birželio pabaigoje miestas buvo užpultas.
Vokietijos ir Vengrijos pajėgų. Atsakydami sovietų pajėgos suformavo Voronežo frontą. Liepos 6 d. vokiečių armija užėmė vakarinius upės pakrantės priemiestį, o sovietų pajėgos smarkiai priešinosi. Liepos 24 d. Fronto linija buvo stabilizuota prie Voronežo upės, kai vokiečių pajėgos tęsė judėjimą į pietryčius į Doną. Ataka prieš Voronežą buvo pirmasis 1942 m. Vokietijos kariuomenės kampanijos Sovietų Sąjungoje etapas, kodinis pavadinimas "Mėlynas atvejis".