В сентябре 1939 года британская противовоздушная оборона оказалась серьёзно не готова к масштабной воздушной войне. Несмотря на наличие радиолокационной сети раннего обнаружения и сформированного Истребительного командования ВВС Великобритании, зенитная артиллерия и особенно ночная ПВО были слабо развиты. Сеть оповещения о воздушном нападении находилась в зачаточном состоянии, командные пункты и узлы связи фактически приходилось создавать заново. Истребителей современных типов было недостаточно, а тяжёлых зенитных орудий, способных поражать цели на средних и больших высотах, имелось не более 10% от расчётной потребности. К началу войны небо Британии прикрывали 29 регулярных и территориальных зенитных артиллерийских батарей, при этом район Лондона защищали лишь чуть более сотни тяжёлых зенитных орудий калибром от 76 до 94 мм.

В ночь на 24–25 августа 1940 года несколько немецких самолётов, сбившись с курса, по ошибке сбросили бомбы на окраины Лондона. В ответ в ночь с 25 на 26 августа 1940 года британская авиация нанесла удар по Берлину. До 7 сентября было произведено семь налётов на немецкую столицу.

Массовые бомбардировки Лондона — так называемый «Блиц» — были объявлены актом возмездия за налёты на Берлин. Он начался вечером 7 сентября 1940 года и продолжался с разной интенсивностью до 13 ноября 1940 года. В налётах участвовали, как правило, от 200 до 300 и более средних бомбардировщиков. Самая масштабная атака произошла 7 сентября, когда более 300 бомбардировщиков нанесли удар днём и вечером, а ещё около 250 — ночью. К утру 8 сентября было убито около 430 жителей Лондона. Люфтваффе заявило, что за 24 часа на город было сброшено свыше тысячи тонн бомб. Всего за сентябрь 1940 года на Лондон, по разным оценкам, было сброшено порядка 6000–6500 тонн бомб.

Основным тяжёлым зенитным орудием Великобритании во Второй мировой войне стало QF 3.7-inch. Оно было примерно эквивалентно немецкому 88-мм орудию Flak 18, но имело несколько больший калибр — 3,7 дюйма, или около 94 мм. К концу войны британцам удалось значительно повысить эффективность этих орудий, усовершенствовав систему управления огнём, внедрив механический досылатель и автоматизированную установку взрывателей. В результате практическая скорострельность возросла до 20–25 выстрелов в минуту. Орудие забрасывало 12,96-кг снаряд на высоту свыше 9 км.

В районах военно-морских баз и других стратегически важных объектов на стационарных позициях применялись тяжёлые 4,5-дюймовые (113-мм) зенитные орудия QF 4.5-In AA Mk II. Их общее количество исчислялось несколькими десятками. Снаряд массой 24,7 кг, выпущенный с начальной скоростью около 732 м/с, позволял поражать воздушные цели на дальностях до 12 000 м. Практическая скорострельность составляла до 15 выстрелов в минуту.

Самыми тяжёлыми и дальнобойными британскими зенитными орудиями стали 133-мм универсальные пушки 5.25" QF Mark I. Первоначально они создавались как корабельные, однако в 1942 году в окрестностях Лондона на бетонных основаниях были размещены три спаренные башенные установки. Им отводилась вспомогательная роль в системе ПВО и береговой обороны. Орудия имели скорострельность до 10 выстрелов в минуту и могли вести огонь 36,3-кг осколочными снарядами по целям на высотах до 14 000 м. Недостатками этих установок были высокая стоимость, сложность эксплуатации и стационарный характер размещения.

Аэростаты заграждения представляли собой дешёвое и эффективное средство пассивной защиты, дополнявшее зенитную артиллерию. К 1940 году над Большим Лондоном было развёрнуто до полутора тысяч аэростатов. Они вынуждали немецкие бомбардировщики набирать большую высоту, что, по британским оценкам, снижало точность бомбометания на 30–50%, а их тросы представляли серьёзную опасность для низколетящих самолётов. Прожекторы — главным образом 90- и 150-сантиметровые установки — создавали плотные световые зоны над городом, облегчая работу зенитчиков и ночных истребителей. Все эти средства являлись элементами многослойной обороны, где основной урон противнику наносили истребители и зенитная артиллерия, но прожекторы и аэростаты существенно осложняли действия немецких лётчиков.

В первые недели Блица эффективность ПВО оставалась невысокой. Командование противовоздушной обороны перебросило в район Лондона 108 тяжёлых зенитных орудий из других дивизий и ввело практику так называемых «истребительных ночей», когда зенитная артиллерия временно прекращала огонь, позволяя ночным истребителям RAF действовать над городом при поддержке прожекторов. С сентября 1940 года начали применяться ракетные установки — батареи Z, эффективность которых, впрочем, была ограниченной. Тем не менее к весне 1941 года количество сбитых самолётов неуклонно росло, пока в мае Люфтваффе не сократило интенсивность атак.

29 декабря 1940 года произошёл один из самых разрушительных налётов на лондонский Сити, вошедший в историю как «Второй Великий пожар Лондона». Были уничтожены и повреждены сотни зданий, пострадал собор Святого Павла. В ту ночь погибло около 200 человек. Последний крупный налёт на Лондон состоялся 10 мая 1941 года: возникло около 2000 пожаров, были разрушены десятки километров водопроводных магистралей, серьёзно повреждены доки и здание парламента. Погибло около 1400 человек, до 2000 получили ранения.

Всего в ходе Блица в Великобритании погибло более 43 000 мирных жителей, из них около 30 000 — в Лондоне. Около 1,4 миллиона человек лишились жилья. Основной удар пришёлся на восточные районы столицы — Ист-Энд, где располагались портовые доки и промышленные предприятия. В Берлине рассчитывали, что разрушения в рабочих кварталах приведут к социальному расколу и подрыву морального духа, однако эти ожидания не оправдались.

Позиции зенитной артиллерии вокруг Лондона размещались так, чтобы обеспечить оптимальную плотность огня: по одному налёту одновременно могли вести огонь не менее 16 орудий. Первые британские радиолокационные станции обнаружения воздушных целей были введены в эксплуатацию ещё в 1938 году, однако с началом массированных налётов радары стали активно интегрироваться в систему управления огнём зенитной артиллерии. В 1940 году сеть радиолокаторов насчитывала около 80 станций. Первоначально это были стационарные РЛС Chain Home (AMES Type 1) с неподвижными антеннами, размещёнными на металлических мачтах высотой до 115 м и приёмных деревянных вышках высотой около 80 м. Широкая диаграмма направленности позволяла обнаруживать самолёты на высоте порядка 5000 м на дальностях до 200 км в секторе до 120°. В 1942 году началось развёртывание станций с вращающимися антеннами, обеспечивавших круговой обзор.

В 1942 году на морских подступах к крупным портам началось строительство зенитных фортов Маунселла. Эти сооружения, состоявшие из нескольких соединённых между собой башен, были вооружены 94- и 40-мм зенитными орудиями и прожекторами. Они прикрывали эстуарии рек, минные поля и портовые районы от налётов низколетящих самолётов и показали ограниченную, но полезную эффективность.

Значительную роль в противодействии ночным бомбардировкам сыграла радиоэлектронная борьба. Немецкие экипажи ориентировались на радиосигналы навигационных маяков, размещённых во Франции, а британцы научились искажать и подменять эти сигналы (meaconing), вынуждая противника сбрасывать бомбы в ложных районах или действовать без навигации. Для изучения немецкой радиоаппаратуры проводились диверсионные операции, а захваченные образцы оборудования доставлялись в Великобританию для анализа.

Подготовка гражданского населения к воздушной войне началась ещё в 1938 году. Лондонцев обучали правилам поведения при налётах, станции метро и подвалы зданий переоборудовались в бомбоубежища. Осенью 1939 года британские власти приступили к массовой эвакуации детей из крупных городов в сельскую местность. За первые полтора года войны из городов было вывезено около двух миллионов детей.

Наибольшей эффективности британская ПВО достигла в 1944 году при отражении атак крылатых ракет V-1. С июня по сентябрь немцы выпустили по району Лондона порядка 8500–10 000 ракет. Благодаря радикальной перестройке системы обороны удалось уничтожить до 70–80% целей. Основную роль сыграли истребители RAF — Tempest, Mustang, Spitfire Mk XIV и даже реактивные Meteor, на долю которых пришлось около 40% перехватов. Зенитная артиллерия также значительно повысила результативность: внедрение радиовзрывателей и автоматизированных систем управления огнём позволило в отдельных секторах довести вероятность поражения цели до 70–80%. Пилоты применяли и нестандартные приёмы, включая сбивание ракеты крылом, нарушая работу её гироскопа.

Противовоздушная оборона Лондона прошла путь от относительной слабости в период Блица к выдающейся эффективности в борьбе с V-1 в 1944 году. Во время массированных бомбардировок немецкие самолёты часто прорывались к целям, а на уничтожение одного бомбардировщика расходовались тысячи снарядов. Тем не менее ПВО поддерживала моральный дух населения, вынудила Люфтваффе перейти к ночным налётам и в конечном итоге спасла тысячи жизней. Лондонская система ПВО доказала свою адаптивность и стала одной из первых по-настоящему интегрированных многослойных систем обороны, основанных на взаимодействии радаров, истребителей и зенитной артиллерии.