為了執行「沙漠風暴」行動，A-10A被部署到中東地區，由美軍中央司令部第14航空師管轄。7個A-10中隊組成了臨時的第354戰術戰鬥機聯隊，這是一個從歐洲和美國本土分別抽調1個和6個中隊、由131架A-10所組成的超級單位。
在「沙漠風暴」行動中，一名來自路易斯安那州英格蘭空軍基地第23戰術戰鬥機聯隊的A-10A「雷電」Ⅱ攻擊機飛行員在執行完一次任務後正在與其機務長交流
1990年8月15日，第一批A-10中隊（來自佛羅裡達州默特爾·比奇空軍基地的第353和第355戰術戰鬥機中隊，來自英格蘭奧爾康伯裡皇家空軍基地的第511戰術戰鬥機中隊，以及來自路易斯安那州空軍國民警衛隊的第706戰術戰鬥機中隊）抵達了沙烏地阿拉伯的法赫德國王國際機場，每個中隊擁有24架飛機。隨後，又有來自路易斯安那州英格蘭空軍基地的第74和第76戰術戰鬥機中隊（共48架A-10A），以及來自亞利桑那州戴維斯·蒙山空軍基地的第23戰術空中支援中隊（共12架OA-10A）陸續抵達。
在經過數月的精心策劃和準備之後，1991年1月17日凌晨，以美國為首的多國部隊從位於沙烏地阿拉伯和其他海灣國家的基地同時向北進攻，直指科威特和伊拉克，「沙漠風暴」行動正式打響。
第355戰術戰鬥機中隊的一架A-10A在「沙漠風暴」行動中正飛離加油機。在後來人們所熟悉的雙灰色塗裝廣泛應用之前，圖中這種具備典型歐洲戰區特色的「蜥蜴綠」偽裝是那個時期A-10最典型的塗裝
與其他成功的戰役一樣，「沙漠風暴」行動也分為幾個階段，準確地說，是按時間分為緊密相連的三個階段。第一和第二階段主要打擊戰略目標。多國部隊出動對地攻擊飛機重點打擊了伊拉克的綜合防空系統（IADS）節點、軍用機場和備用機場、指揮中樞、被懷疑藏有核生化武器的地點，以及發電廠。僅僅幾小時之內，伊拉克的指揮系統和武裝力量就被摧毀、致盲和癱瘓。當黎明來臨時，第三階段拉開了帷幕。多國部隊的地面部隊以摧枯拉朽之勢橫掃位於科威特境內的伊軍常規部隊和精銳的共和國衛隊。
在「沙漠風暴」行動中，75%的出動架次用於打擊科威特境內的伊軍地面部隊。部署在科威特—伊拉克邊界的3個伊軍重型裝甲師和7個精銳的共和國衛隊師遭受重創，包括T-72主戰坦克、火炮和防空系統（薩姆-6地空飛彈、薩姆-13可攜式紅外尋的地空飛彈和高炮）在內的約5000個目標遭受打擊。
一名地勤人員正在引導第353戰術戰鬥機中隊的A-10「雷電」Ⅱ攻擊機駛入停機位，後者剛剛抵達並將隨後參加「沙漠盾牌」行動。注意圖中機翼內側掛架所掛載的兩個600美加侖（2300升）副油箱
指揮官命令位於中高空的F-16戰鬥機和B-52轟炸機使用非制飛彈藥打擊伊拉克共和國衛隊。而A-10的任務則是消滅伊拉克常規部隊，因為這些部隊不像精銳的共和國衛隊那樣裝備綜合防空系統。薩姆-6移動式地空飛彈系統是當時多國部隊空軍面臨的最大威脅。
這樣的分工頗具諷刺意味。因為對付薩姆-6是那時A-10飛行員的日常訓練內容，而且後者在對付裝甲集群和綜合防空系統方面已經積累了豐富經驗。但由於這一決定是高層做出的，所以也沒有太多爭論的餘地。
規劃者將科威特和伊拉克劃分為「殺傷網格」（30海裡×30海裡），然後將戰機分配到不同的網格中，飛行員可在網格內自由獵殺目標。這樣，A-10在消滅戰壕中的裝甲目標方面很快就取得了不錯戰果，但F-16和B-52卻顯得有些力不從心。
消滅裝甲集群和執行近距空中支援是A-10的本職工作，但從20世紀80年代起，它又從OV-10和OA-37那裡繼承了機載前進空中控制的角色。執行機載前進空中控制任務的A-10中隊將不再擔負其他任務，這意味著它們將放棄打擊任務，所以一般不會攜帶武器，除了航炮和白磷標示火箭彈。作為「殺手偵察員」的OA-10輕盈且靈活，因為去掉了大量外掛而減少了飛行阻力。在「沙漠風暴」行動期間，第23戰術空中支援中隊（TASS）承擔著機載前進空中控制任務。
「沙漠風暴」行動結束後，第355戰術戰鬥機中隊的全體成員在他們堅不可摧的座駕前合影。這架A-10採用了全戰鬥掛載，包括SUU-25紅外幹擾彈吊艙、AGM-65D「幼畜」空地飛彈以及Mk20「石眼」Ⅱ反裝甲集束炸彈等
「殺手偵察員」任務每次都由第23戰術空中支援中隊的單機執行。飛行員在科威特南部的「殺傷網格」內巡弋，尋找並標示目標，然後呼叫A-10A對目標進行致命打擊。一次，來自第76和第23戰術戰鬥機聯隊的兩名A-10飛行員宣稱在一天之內消滅了23輛伊軍坦克，其中5輛被GAU-8/A航炮擊毀，其他的則被AGM-65「幼畜」空地飛彈摧毀。這一戰果是通過連續三次出擊達成的（每次出擊後都回到前線機場降落並在發動機不停機的情況下加油和補彈）。行動以OA-10發現伊拉克坦克部隊為開始，以通過戰鬥搜索與救援（CSAR）成功營救一名美國海軍陸戰隊的AV-8B「鷂」Ⅱ戰鬥機飛行員為結束。這一驚人戰果充分證明了A-10A是一臺多麼可怕的「殺戮機器」，以及A-10部隊在執行任務和相互配合方面所達到的驚人默契程度。
1991年2月24日，多國部隊發起了地面進攻。4天之後，A-10終於等來了打擊一個伊拉克共和國衛隊裝甲師的命令。在此後的三天內，48架A-10編成6個八機編隊，對該師進行了持續打擊，並最終取得了赫赫戰果。
在「沙漠風暴」行動期間，A-10表現出了卓越的抗打擊能力。對於裝備精良的伊拉克軍隊來說，經常低空低速飛行的A-10似乎是一塊「肥肉」，但實際上在8100架次的出擊中，只有7架A-10被擊落。根據負責A-10戰場修理的第2951後勤保障中隊網站的介紹，共有約70架A-10被敵方火力擊傷。「很多小問題並沒有記錄在案。其中有一些是飛行員自己造成的，比如，在投放炸彈時，系索打到了襟翼，或者由於投放高度過低，炸彈爆炸後的破片嵌到了發動機罩上，但絕大部分的小損傷都是由輕武器和地空飛彈造成的。我們通過組建『快修小隊』來解決這些小問題。一開始，當飛機執行完任務返航後，我們前往停機坪進行一個全面的快速檢測。後來，當對這些小損傷的規律有了一定的了解之後，流程改為先在跑道末端進行三輪檢測，同時呼叫『快修小隊』前往停機坪準備進行修理工作。」該網站寫道。
值得注意的是，根據美國空軍海灣戰爭調查（空軍對於「沙漠風暴」行動的總結），有50%以上被擊傷的A-10在4小時之內又重新投入到戰鬥中——這一數據與A-X計劃最初的設計指標高度吻合，反映出A-10在設計中是何等重視可維修性和再次出動能力。
保存在美國空軍國家博物館內的A-10A，機身上的第353戰術戰鬥機中隊標誌表明了其在「沙漠風暴」行動期間所隸屬的部隊
雖然70架的戰傷數量超過了A-10部署總數的一半，但這與其給伊拉克軍隊帶來的巨大損失相比就顯得微不足道了。戰爭結束後，A-10飛行員宣稱他們一共摧毀了967輛坦克、926門火炮、1306輛卡車、501輛裝甲人員輸送車、28個指揮所以及2架米-8直升機。其他可能被摧毀的目標還包括「飛毛腿」飛彈發射架、預警雷達以及防空系統。
美國空軍的官方記錄顯示，在海灣戰爭中，A-10的任務成功率達到95.7%，發射了佔總數90%的AGM-65「幼畜」空地飛彈。取得這一成績的一個重要原因是，伊軍點燃的油井所產生的巨大濃煙有效掩護了自身的坦克部隊，使得在高空飛行、裝備先進電子設備的F-15和F-16戰鬥機無法發現目標，但事實證明，濃煙對於有著堅固機體、威力巨大的GAU-8/A航炮和訓練有素的飛行員的A-10是完全無效的。
雖然多國部隊沒有乘勝追擊打到伊拉克首都巴格達，但戰爭也遠沒有結束，20世紀90年代只是美軍及多國部隊與伊拉克進行持續鬥爭的第一個10年。以1992年8月—2003年3月進行的「南方守望」（OSW）行動——旨在「強迫伊拉克接受『沙漠風暴』行動後多國部隊劃定的『禁飛區』限制」為開始，一系列軍事行動都在醞釀之中。其中包括「北方守望」行動（控制伊拉克北方空域的演習），並且在一步步蠶食伊拉克領空的基礎上，最終演變為「沙漠之狐」行動。為了參與這一行動，A-10作為空中遠徵部隊的一員被部署到中東地區，前後共計90天。