Когда в Испании вспыхнула Гражданская война, советское правительство отправило Воронова на Пиренейский полуостров. Здесь он в 1936 и 1937 годах служил военным советником в армии республиканского правительства. Поскольку Воронов получил на этой войне свежий военный опыт, не запятнав себя при этом никакими опасными политическими знакомствами, связанными с его заданием, Сталин назначил его в 1937 году начальником артиллерии Красной Армии, каковой пост он и занимал до 1940 года.
В качестве начальника артиллерии РККА Воронов курировал реорганизацию и техническое переоснащение артиллерийских войск Красной Армии в ее бурный период предвоенного увеличения. В тесном взаимодействии с Жуковым он также принял в августе 1939 года участие в боях против японских войск на Халхин-Голе, где накопил большой опыт по части планирования и применения артиллерии в масштабах армейской группы. В конце 1939 года и в 1940 году Воронов выполнял те же обязанности в войсках Красной Армии при вторжении в восточную Польшу и в Бессарабию, а во время советско-финской войны он руководил действиями артиллерии во время прорыва мощной обороны финнов по линии Маннергейма. После окончания этой войны НКО назначил Воронова заместителем начальника Главного артиллерийского управления Красной Армии. Эту должность он и занимал, когда немцы начали операцию «Барбаросса».
Вскоре после начала войны Ставка назначила Воронова на два наиболее важных поста в артиллерии Красной Армии – начальником Главного управления противовоздушной обороны страны (ПВО страны) в конце июня и начальником артиллерии Красной Армии в июле. Одновременно Воронов стал заместителем народного комиссара обороны СССР и членом группы советников Ставки. Впоследствии с марта 1943 года по март 1950 года он был бессменным командующим артиллерией Красной Армии. В этот период Воронов сыграл выдающуюся роль в разработке теоретической и практической основы применения артиллерии в крупномасштабных боевых действиях, а конкретно – концепций ведения артиллерийского наступления и принципов противотанковой войны. В то же самое время он курировал создание крупных артиллерийских соединений, таких, как артиллерийские дивизии и корпуса, а также отвечал за формирование артиллерии РВГК как ключевого компонента для проведения операций по прорыву вражеской обороны и развитию успеха на оперативную глубину.
В дополнение к своей чисто артиллерийской работе Воронов часто выполнял роль представителя Ставки при многих операциях – как в качестве главного артиллерийского советника, так и в качестве общевойскового координатора. Именно в этом качестве он помогал планировать и координировать операции Ленинградского, Волховского, Юго-Западного, Донского, Воронежского, Брянского, Северо-Западного, Западного, Калининского, 3-го Украинского и 1-го Белорусского фронтов, в том числе во время наступления под Сталинградом, при ликвидации 6-й немецкой армии в Сталинграде, во время Орловского наступления в июле-августе 1943 года. Позднее он контролировал применение артиллерии во время Белорусского и Берлинского наступлений в 1944 и 1945 годах.