德軍在莫斯科會戰失敗後，被迫放棄了全面進攻計劃，決定於１９４２年夏季集重兵於蘇德戰線南翼，向高加索和斯大林格勒同時實施重點進攻，企圖攫取石油、糧食等重要經濟資源，切斷伏爾加河水運幹線，進而北取莫斯科，南出波斯灣。
斯大林格勒位於伏爾加河下游，是蘇聯歐洲部分東南部的政治、經濟、文化中心、鐵路和水運交通樞紐，也是重要的軍事工業基地和戰略要地。
蘇軍統帥部鑒於南方戰線的嚴重局面和斯大林格勒的戰略地位，認為堅守斯大林格勒對於整個蘇德戰場有著決定性的意義。守住斯大林格勒不僅可以改善南方的戰役態勢，保持蘇聯中部與南部的聯繫，而且能夠打破和阻止希特勒向北進攻莫斯科的企圖，因而決心在該地區組織堅固防禦，阻止德軍的進攻。
就空中作戰而言，蘇軍在莫斯科會戰勝利後，及時總結了空戰的經驗教訓，並針對蘇軍航空兵從總體上仍處於劣勢的情況，對航空兵的作戰使用及任務作了適當調整。蘇軍統帥部在１９４２年６月２９日的命令中指出：
方面軍航空兵的首要任務是奪取制空權，為我方創造壓倒敵人的優勢，迫使敵航空兵，尤其是轟炸機離開戰場；第二項任務是集中強擊航空兵和轟炸航空兵的全部力量，用於攻擊敵坦克和摩托化縱隊，消滅敵有生力量，以此支援我軍部隊；第三項任務是，殲擊航空兵不僅要掩護我部隊，而且在可能的條件下對敵有生力量實施打擊。
由於蘇軍與德軍在斯大林格勒會戰中展開了殊死搏鬥，斯大林格勒附近的空中作戰也因此特別激烈。德軍在這裡集結了戰鬥力最強的第４航空隊，它擁有１２００架飛機和經驗豐富的飛行員。蘇軍在斯大林格勒方向的空中力量主要是空軍第８集團軍，該集團軍到會戰開始共有４５４架飛機，其中包括７４架夜航轟炸機。此外，這裡還有遠程航空兵的２００架轟炸機及國土防空軍的６０架殲擊機。蘇軍航空兵集群在該方向上總共擁有７１４架飛機，在數量上顯然處於不小的劣勢，而且其中有近２００架是過時的舊式飛機。可見，會戰初平空中鬥爭形勢對蘇軍極為不利。
兩河之間的空中肉搏
１９４２年７月，天氣酷熱而乾燥，斯大林格勒仍處於和平的生活中，企業和機關都在工作，市內所有的電影院都開放，兒童在公園和街心花園裡玩耍，擴音器裡播送著音樂，並隔一定時間播送一次前線戰報。然而，斯大林格勒的居民沒有一個人不認為可怕的威脅已經籠罩著城市，而且不久就將與法西斯德軍在這裡展開激烈的交戰。
蘇軍於７月１２日組建了斯大林格勒方面軍，由鐵木辛哥元帥任司令員，下轄第２１、２８、３８、５７、６２、６３、６４等７個諸兵種合成集團軍和空軍第８集團軍。德軍在斯大林格勒方向作戰的是Ｂ集團軍群，共有７１個師，擔任直接進攻的部隊是保盧斯指揮的第６集團軍。第４航空隊負責空中支援。
７月１７日，隨著德軍大規模進攻的開始，德國空軍出動大批轟炸機，對戰場上的蘇軍地面部隊實施密集突擊。蘇軍航空兵不顧數量上的劣勢，頑強地抗擊德軍，在頓河到伏爾加河之間同德軍展開了激烈的空戰，甚至出現了空中肉搏。在這些日子裡，雙方每天進行６０-７０次空戰，每次空戰雙方都出動５０-６０架飛機。
在頭６天的戰鬥中，蘇空軍第８集團軍支援了第６２和第６４集團軍在奇爾河和齊姆拉河進行苦戰的先遣支隊。航空兵基本兵力主要用於消滅德軍突擊集團。轟炸機和強擊機對公路上的德軍坦克、汽車縱隊以及德軍的鐵路車站和機場，進行了１０多次編隊突擊。遠程航空兵還突擊了德軍集結地域、預備隊和頓河、奇爾河上的德軍渡口。
７月２３日，德軍以兩個強大集團對卡拉奇實施向心突擊，前出至卡緬斯克地區內的頓河河岸，包圍了蘇軍第６２集團軍的部分軍隊，企圖取近路向伏爾加河突破。蘇空軍第８集團軍集中全力支援坦克第１、第４集團軍，對突破防線的德軍進行反突擊。由於蘇軍航空兵的打擊，德軍遭到重大損失，第６２集團軍部隊也突出了包圍。
蘇軍的轟炸機和強擊機通常以４-６機編隊活動，由２-４架殲擊機護航。有時對敵軍和技術裝備集結地也以較大的兵力進行突擊。７月３１日，蘇軍對卡拉奇地區的德軍和渡口突擊了４次，參加突擊的飛機共有１６０多架，擊毀擊傷敵坦克３０多輛、汽車１５０多輛、滿載彈藥的馬車５０輛和一些火炮。除了白天行動之外，轟炸機還進行了夜間突擊。德軍在蘇軍航空兵連續不斷地空中打擊下，不得不減慢了推進速度。
在那些艱苦日子裡，蘇軍殲擊航空兵第４３４團的飛行員在克列謝夫少校的指揮下，打得格外出色。他們在戰鬥的前１８天裡進行了１４４次空戰，共擊落敵機３６架。克列謝夫少校是殲擊航空兵戰術的革新者，他很重視研究敵人的戰術，尋求空中作戰的新方法，不斷提高自己的戰鬥技能。他每次升空都希望能找到敵人，打一次積極的進攻戰。他認為攻擊的突然性是勝利的保證。他以此教育自己的部下。經他培養的受勳英雄多達數十名。中尉庫庫什金和中士斯米爾諾夫就是其中的兩人。他們有一次完成戰鬥任務後，在返場途中遇上了有１２架戰鬥機護航的９架德國轟炸機。他們不畏敵眾己寡，堅決投入了力量懸殊的戰鬥，憑著勇敢精神和熟練的技術，擊落了５架敵機，將敵機群衝散，粉碎了敵人突擊的企圖。而中隊長庫庫什金卻英勇犧牲了。
德軍旗圖從西線向伏爾加河突破遭到挫折後，變更了軍隊部署，把坦克第４集團軍從高加索方向調來，從西南方向發起進攻。８月初，這個集團軍在航空兵的配合下即前出到科捷利尼科沃地區，造成了對蘇軍第６２和第６４兩個集團軍翼側和後方的威脅。為了抗擊突入的德軍集團，蘇空軍第８集團軍每天出動飛機達６００架次，在戰場上空與德軍飛機展開了激烈的空戰。對敵機場實施突擊也是消滅敵航空兵的有效辦法。僅８月９日一天，８架伊爾－２飛機對德軍停有９０架飛機的奧勃裡夫斯卡亞機場實施的突擊就擊毀敵機達４０架。
由於斯大林格勒方面軍戰線太長，不便指揮，蘇軍統帥部於８月５日將其部隊改編為斯大林格勒方面軍與東南方面軍。空軍第８集團軍編入東南方面軍，為斯大林格勒方面軍組建了空軍第１６集團軍。
在那連續作戰的艱難日子裡，蘇軍殲擊機飛行員對勝利表現出了堅定的信念。８月６日，殲擊航空兵第１８３團中隊長巴拉諾夫上尉率４架雅克－１飛機在頓河渡口上空巡邏，同敵人的２５架殲擊機遭遇，巴拉諾夫立即指揮展開勇猛攻擊。第一次攻擊就準確地擊落敵機１架，接著又對跟進的敵轟炸機發起攻擊，擊傷其中１架，並迫使其降落在蘇軍駐地。這時，德軍戰鬥機正在攻擊蘇軍強擊機，巴拉諾夫聞訊立即趕來支援，在擊落敵１架Ｍ－１０９飛機後，他的彈藥消耗殆盡，但他並沒有撤出戰鬥，而是駕機向敵機衝去，以機翼撞擊敵機尾翼，自己跳傘離機。就這樣，這位英勇的飛行員在幾分鐘內就擊落敵機４架。
８月２３日，德軍利用優勢兵力，以巨大傷亡為代價突破蘇軍防線，前出至拉托什卡·雷諾克地區內的伏爾加河。德軍約４００架飛機當日下午對斯大林格勒實施了猛烈的密集突擊。雖然蘇軍高射炮火猛烈射擊德機第１梯隊，但是德機並沒有改變航向，空中強烈的響聲越來越接近市區。當第１梯隊德機投下爆破彈和燃燒彈後，市內開始出現大火。夜幕降臨前，德航空兵對斯大林格勒出動了近２０００架次，上百座建築物被破壞，無數手無寸鐵的婦女、兒童、在醫院治療的負傷軍人被炸死。這是對有成千上萬和平居民的城市的野蠻破壞。蘇軍殲擊機抗擊了空襲，在城市上空進行了２５次空戰，擊落了９０架法西斯飛機。
在激烈的交戰過程中，蘇聯飛行員時常採用德國飛行員所不敢採用的空戰方法--快速迎頭攻擊或撞擊。在空戰緊要關頭，如用品他方法不能擊落敵機時，蘇軍即採用空中撞擊。１９４２年９月８日，殲擊航空兵第５２０團的１個殲擊機編隊在掩護地面部隊時與１０架德國轟炸機遭遇。首次出戰的年輕飛行員戈莫爾科上士，大膽地闖入德機隊形，一舉擊落１架轟炸機。後來他在攻擊中彈藥耗盡，自身負傷，便毅然決定進行空中撞擊。他用自己飛機的螺旋槳砍斷敵另１架轟炸機的尾翼，爾後跳傘離開了失去操縱的飛機。他在傘降過程中就做好了同跳傘的德國飛行員進行戰鬥的準備。落地後，他當場擊斃１個企圖抵抗的德國飛行員，俘虜了其餘兩個。
蘇軍另一名年輕飛行員拉夫裡年科夫准尉有一天在伏爾加河上空巡邏時，發現兩個敵轟炸機群，他毅然決定單機攻擊它們。攻擊前，一名顯然是兄弟團掉隊的飛行員在向他靠攏。"我們攻擊！"拉夫裡年科夫用無線電喊了一聲。那名素不相識的飛行員用一陣炮火射中了１架敵機，而拉夫裡年科夫則以機槍的一次短連射擊落了敵帶隊的轟炸機。兩架法西斯飛機即刻著火。在第２次攻擊時，拉夫裡年科夫又擊中了敵１架轟炸機。就在這時，４架德國戰鬥機向他們飛來，拉夫裡年科夫和那個他始終不知姓名的拉－５飛機飛行員，奮不顧身地投入了迎頭攻擊。德國飛行員被這勇敢的動作嚇破了膽，不敢應戰，轉身逃跑了。
殲擊航空兵第２９１團政委比諾夫在一次空戰中擊落敵戰鬥機１架，接著又以自己飛機的機翼撞下第２架戰機，爾後自己安全降落。該團中尉皮亞托夫在一次空戰中曾兩次撞擊１架敵機，敵機在受到第２次撞擊後，凌空爆炸，而皮亞托夫卻安全返場降落。蘇聯飛行員在戰鬥中都表現出了高超的飛行技能和戰鬥素養。
對"老鼠戰"的空中援助
到９月中旬，德軍已進抵斯大林格勒城的外圍防線，在第６２和第６４集團軍的接合部突破了防禦，
佔領了許多重要高地並前出到距市中心３-４公里的地方。蘇軍統帥部給斯大林格勒方面軍和東南方面軍下達了下述任務：堅守城市防線，從南北兩面實施反突擊以削弱敵人，守住頓河右岸的登陸場並積蓄力量準備隨後轉入反攻。
市區防守部隊是６２集團軍，由崔可夫中將任司令員，兵力約４萬多人。德軍攻城兵力共１３個師約１７萬人，是蘇軍的４倍。德軍佔領了有利的出發陣地，調集了預備隊之後，９月１３日便開始攻城。從９月中旬到１１月中旬，蘇軍和德軍就在這被炸成的瓦礫堆裡進行激烈的逐屋爭奪的巷戰。每個街區、每幢樓房、甚至每一層樓都經過反覆爭奪，許多陣地失而復得。德國人把這場在瓦礫堆裡進行的戰爭稱之為"老鼠的戰爭"。
這時蘇軍航空兵面臨的任務是：協助實施反突擊的部隊和從空中直接支援在斯大林格勒市內為奪取每一街區、每條街道和每座房子而進行戰鬥的第６２集團軍的部隊。
蘇軍轟炸機和強擊機的突擊依次從城市的一個地區轉到另一個地區。９月２３日，空軍第８和第１６集團軍的航空兵和遠程航空兵突擊了市中心的德軍。９月２４日則轉到市區南部向法西斯軍隊積極突擊。航空兵指揮員從步兵師、團長指揮所裡利用信號彈、煙幕彈和曳光彈將飛機，特別是強擊機引向點狀目標。航空兵攻擊的主要目標是被敵人佔領的一些樓房、敵炮兵、迫擊炮、坦克、集結的部隊和技術裝備。
從９月２７日到１１月１８日這一時期城內的作戰重心轉到了爭奪住宅和工廠區。蘇軍地面部隊在航空兵的支援下不僅擊退了敵人的多次衝擊，而且自己也不斷地轉入反衝擊。航空兵為支援陸軍夜以繼日地進行戰鬥活動，對德軍機場、鐵路目標、預備隊實施突擊。
９月２８日，斯大林格勒方面軍改稱為頓河方面軍，東南方面軍改為斯大林格勒方面軍。蘇軍空軍司令員諾維科夫將軍親臨戰區，及時地採取了更有效地使用航空兵的措施。他要求把航空兵的力量集中在決定性方向上，嚴格遵守對戰鬥行動的集中指揮，保留部分兵力作為預備隊，周密地組織空中偵察以加強對敵突擊。
德軍佔領拖拉機廠以後，將其主要兵力集中用於攻打蘇軍第６２集團軍。蘇軍夜間轟炸航空兵第２７２師便給每個團都規定了在拖拉機廠廠區內活動的具體目標、進入目標的方向和突擊的時間。飛行員們積極出戰，共出動飛機３７５架次。敵人每隔３-５分鐘就遭到一次攻擊。
為了保障行動順利，蘇軍還派出了有經驗的機組去壓制目標區的敵防空兵器。轟炸機的突擊不僅使敵人遭受重大損失，而且整日整夜攪得敵人不得安寧。１０月，蘇軍的波－２飛機進行了高度緊張的戰鬥活動，每個機組每夜完成７-１０次戰鬥出動，每架飛機向敵人投下１８０-３５０公斤炸彈。第２７２師有效地幫助了第６２集團軍的防禦戰鬥。
諾維科夫要求空軍集團軍的每個殲擊航空兵師都要建立殲擊遊獵機編隊，編隊要演練殲擊遊獵機的戰術。殲擊遊獵機飛行員不僅是勇敢的飛行員，並且是沉著、謹慎且對自己、自己的飛機和武器充滿信心的人。"獵手"殲擊機的戰術也不斷地得到改進。他們在戰場上更加活躍，經常到敵方去搜索和消滅單個敵機、行駛中的軍運列車、司令部的汽車、無線電台和火炮等。
蘇軍航空兵高度重視夜間對斯大林格勒德軍的襲擊，強擊和殲擊航空兵每個團訓練了５個空勤組，供在夜間和複雜條件下作戰。在城市防禦戰階段，波－２飛機夜間出動了４０６架次。它們攻擊了市區的單個支撐點、集結的敵軍和技術兵器。第２７２師的飛行員們僅在兩個夜晚就破壞了９處鐵路路基，炸毀兩輛機車和８節車廂，造成車站上１５處起火，火車運行中斷８-１２小時。
為了把德軍航空兵從前進機場趕走，使其難於到戰場上活動，以使蘇軍空軍第８集團軍的兵力和遠程航空兵奪取制空權，同時也為即將舉行的反攻做準備，遵照最高統帥部的指示，蘇軍航空兵於１０月２７日至２９日對敵１３個機場採取了行動，出動飛機５０２架次，消滅德國飛機數十架，破壞了許多機場的跑道，迫使敵機不得不被轉移到後方機場。１０月，蘇聯空軍在斯大林格勒地區進行了２６０多次編隊空戰，空戰中擊落德機近２００架，同其消滅機場上的飛機達８０多架。
為了有效地引導空中的飛機作戰，蘇軍沿戰線設置了無線電引導站，這些引導站距前沿２-３公里，站與站之間距離８-１０公里。蘇軍還選調了２５名預備隊殲擊航空兵的團長和旅長擔任航空引導員，這批經驗豐富的航空人員用無線電向飛行員通報空中情況，引導他們飛向目標，幫助他們攔截和消滅敵機。這些引導站在空戰中給了蘇軍殲擊機飛行員很大幫助。
在城市防禦戰的６７天裡，蘇聯航空兵出動飛機４５３２５架次，投下炸彈１５４４０噸，進行空戰１０００多次。在空戰中和在機場上共計消滅德軍飛機９２９架。這就為蘇聯地面部隊能在斯大林格勒堅守下來提供了巨大的空中援助。
蘇軍進行的斯大林格勒防禦戰役，挫敗了德軍統帥部１９４２年夏季戰局計劃，並為蘇軍轉入反攻創造了有利條件。
將敵人封閉在"大鍋"中
在斯大林格勒防禦交戰過程中，蘇軍統帥部就已開始了實施強大反攻的準備。朱可夫元帥和總參謀長華西列夫斯基一起，奉命提出一個反攻計劃。這個計劃於９月中旬呈送給斯大林。計劃設想，用兩個月的時間在斯大林格勒附近的幾條戰線上集結兵力，然後從謝拉菲莫奇和克列次卡亞登陸場以及斯大林格勒以南的湖泊地域實施強大的鉗形突擊，粉碎敵人主要集團兩翼上防守力量較弱的軍隊，爾後沿向心方向在卡拉奇會合，合圍並消滅在斯大林格勒地域作戰的德軍主力。朱可夫認為時間對蘇軍有利，因為保盧斯的第６集團軍和霍特的第４坦克集團軍當時消耗大，物資已瀕枯竭，而蘇軍卻開始源源不斷地得到新型裝備。當然，勝利的關鍵還在於崔可夫的部隊是否能夠在斯大林格勒的地窖裡堅守到反攻開始。結果是他們堅持下來了。
１９４２年１１月，蘇軍空軍的戰鬥力和主動性都提高了，蘇空軍對德空軍已經佔有數量上的優勢。到反攻開始前，蘇軍集中了１４１４架飛機，德軍在該方向上只有１２１６架飛機。德軍投入戰場使用的新型飛機有改進型戰鬥機Ｍ－１０９、新型戰鬥機１９０，這些新型戰鬥機的戰術性能略優於德以前生產的飛機。而蘇空軍也擁有了兩種新型戰鬥機：拉－５和雅克－９。拉－５型戰鬥機的水平飛行速度大於德國戰鬥機，裝有２０毫米航炮兩門；雅克－９型戰鬥機的最大速度達每小時５８０公里，裝有３７毫米航炮１門和１２．７毫米機槍兩挺。
參加反攻的蘇軍航空兵部隊進行了緊張的準備。然而，航空兵向斯大林格勒地域機場集中的時間比統帥部規定的時限延遲了。航空油料和彈藥的積蓄都不夠充足。諾維科夫將軍向朱可夫報告說：
"航空兵尚未做好實施反攻的準備工作。油料儲備只有兩個基數，
彈藥也不足。加強的航空兵部隊尚未集中完畢。"朱可夫向斯大林報告了上述情況。１１月１２日斯大林答覆如下：「假如航空火力準備不能令人滿意的話，那麼，戰役將以失敗而告終。同德寇作戰的經驗表明，只有在掌握空中優勢的情況下，才能贏得對德作戰的勝利。因為我航空兵必須遂行以下任務：第１，在我突擊部隊進攻的地域內，我航空兵必須集中作戰，壓制住德航空兵，並可靠地掩護我軍；第２，為我進攻的部隊打通道路，方法是不斷地轟炸我當面的德軍；第３，通過經常的轟炸和強擊活動追擊退卻之敵，使其徹底潰亂，並制止其在最近的防區進行固守。如果諾維科夫認為我航空兵現在不能完成上述任務，那麼，最好把戰役的開始時間稍向後推遲和多集中一些航空兵。
"從斯大林的這段話中就完全可以看出空軍在反攻中的重要作用。
諾維科夫率領一個作戰組在斯大林格勒地區對所有航空兵實施總指揮，並親自留在戰場觀察他的下級作戰，遠程作戰航空兵司令戈洛瓦諾夫將軍也留在了斯大林格勒。所以，斯大林格勒會戰的戰場成為蘇聯後來許多高級軍事領導人的發祥地，如羅科索夫斯基、崔可夫、葉廖緬科、莫斯卡連科和馬利諾夫斯基等。諾維科夫幾乎到過準備參戰的部隊的所有機場，同飛行員交談，給指揮員作指示，具體解決了許多問題。他具有非凡的記憶力，幾乎認識所有的航空兵師師長，熟悉他們的優缺點，還瞭解許多航空兵團團長和大隊長。
在即將來臨的反攻中，賦於蘇軍航空兵的任務是：掩護和支援突擊集團，特別是坦克和機械化軍；組織實施空中偵察；與德軍航空兵作鬥爭，奪取制空權。
１１月１９日，斯大林格勒大反攻以排山倒海之勢展開了。西南方面軍部隊第１天就突破了德軍防禦戰術地幅，並推進了３０多公里，到戰役第５天推進達１５０公里，解放了卡拉奇，佔領了德軍的幾個機場。這就迫使德軍把其航空兵緊急轉移到後方機場，從而減少了其在蘇軍進攻地域內的行動。斯大林格勒方面軍的部隊１１月２０日開始反攻，４天之內順利推進１１５公里，佔領蘇維埃城，並於１１月２３日在卡拉奇地區與西南方面軍坦克軍會合。至此，德軍第６集團軍的２２個師和坦克第４集團軍部分兵力以及一些獨立部隊共３３萬人，全部被包圍在形似一口"大鍋"的區域裡。不久，在這個"大鍋"周圍便集結了１００萬蘇軍部隊。
在合圍德軍集團期間，儘管霧大雲低，蘇軍航空兵仍積極出動飛機達１０００多架次。它們攻擊敵坦克和騎兵，襲擊戰場上敵軍有生力量和技術裝備，襲擊道路上的敵軍旗車縱隊和機場，支援地面部隊且戰且進。蘇聯飛行員在複雜氣象條件下遂行戰鬥任務，表現勇敢，技術高超。１１月２１日，蘇聯英雄戈盧別夫大尉帶領６個伊爾－２機組起飛去突擊"十月勝利"國營農場機場。在快要接近目標時，他們遭到密集高射炮火力的射擊。飛行員們毫無懼色，先全力壓制住敵人的防空兵器，隨即開始對機場發起攻擊，擊毀８架敵機。在返航途中，又遭到敵戰鬥機的攻擊，蘇聯強擊機飛行員勇敢迎戰，擊落敵兩架Ｍ－１０９飛機，自己沒有損失，全部返場著陸。
從１１月２４日期，天氣開始好轉，蘇軍航空兵平均每天出動８００架次，掩護已發起進攻的快速兵團，消滅敵軍地面部隊和技術兵器，進行空中偵察，突擊敵機場以及為第６２集團軍的部隊運送物資。
由於德軍航空兵在蘇軍神速推進面前被迫轉移到後方機場，加之所受損失嚴重，從１１月１９日至３０日，平均每晝夜只出動飛機１１５架次。而蘇軍航空兵僅在１１月２４日至３０日就出動飛機約６０００架次，
對將德軍主要集團封閉在"大鍋"中起了巨大作用。
粉碎希特勒解圍企圖
希特勒為了解救被圍德軍，於１１月２５日授命曼施坦因組建頓河集團軍群。該集群包括頓河中游至阿斯特拉罕以南的全部德軍，並從西歐、非洲以及蘇德戰場其他地段抽調了４個坦克師、６個步兵師，在科捷爾尼科沃和托爾莫辛地域建立了兩個突出集團，企圖從西南方向突破合圍的對外正面。
蘇軍統帥部決心先殲滅德軍支援部隊，命令斯大林格勒方面軍殲滅科捷爾尼科沃集團，西南方面軍殲滅托爾莫辛集團，頓河方面軍繼續壓縮被圍德軍。
１２月１２日，德軍一支強大的坦克集團從科捷爾尼科沃地區發起進攻，１９日即推進到梅什科瓦河，離合圍地域只有４０多公里，在該地段遇到斯大林格勒方面軍部隊的頑強抵抗。這時，被圍德軍集團的行動也活躍起來，在卡爾波夫卡地區集中了大量坦克和步兵，企圖發動進攻與增援的坦克集團相會合。此時，蘇軍空軍第８和第１６集團軍的航空兵對被圍德軍實施接連不斷的突擊，以粉碎敵突破合圍正面的企圖。１２月１８日晨，在阿克薩伊河地區戰鬥最緊張的時刻，空軍第１６集團軍出動１００多架飛機對集結在卡爾波夫卡地區的德軍實施了猛烈突擊。德軍損失慘重，不得不放棄繼續突圍會合的計劃。
空軍第８集團軍航空兵在粉碎科捷爾尼科沃集團時還積極地支援了地面部隊。在敵人進攻的頭幾天，蘇軍飛行員在從科捷爾尼科沃地域到梅什科瓦河一線的激烈防禦戰鬥中有力地援助了陸軍，打得德軍坦克集團一蹶不振。從１２月２０日至２３日，空軍第８集團軍為了殲滅敵坦克和步兵出動飛機７５８架次，然後又積極支援了陸軍的進攻作戰。到１２月２４日，德軍科捷爾尼科沃集團被迫轉入防禦，繼而開始撤退。當斯大林格勒方面軍的部隊開始向南推進時，空軍第８集團軍則集中主要兵力對付退卻之敵，從１２月２４日至２９日共出動飛機１３５８架次。在此期間，空軍第８集團軍的部分兵力和空軍第１６集團軍以及遠程航空兵對被圍集團還進行了有效的突擊，這在很大程度上協助了地面部隊粉碎德軍突破合圍對內正面的企圖。
西南方面軍部隊於１２月１６日轉入進攻。為了支援地面部隊，從空軍第２和第１７集團軍抽調了４５５架飛機。德軍在這個地區也有近４５０架飛機。由於天氣惡劣，在戰役的頭幾個小時，航空兵未能參加支援，地面部隊作戰在德軍的抵抗下進展緩慢。中午天氣轉好，第２和第１７集團軍立即出動飛機２００多架次，到進攻地帶支援作戰，轟炸和突擊了德軍抵抗樞紐部和集結的部隊。戰役的頭幾天，蘇聯空軍還對塔欽斯卡亞、英羅佐夫斯基、斯塔羅別爾斯克和伏羅希洛夫格勒的德軍機場實施了突擊，擊毀敵機６５架。就在這時，蘇軍又調來新建混成航空兵第３軍編入空軍第１７集團軍，航空兵力量對比蘇軍佔了優勢。蘇軍地面部隊的推進也加快了。到１２月１８日，步兵兵團與坦克軍和機械化軍配合作戰，在航空兵的支援下全部突破了德軍托爾莫辛集團的戰術防禦地域，並開始追擊德軍。近衛第３集團軍司令員列柳申科將軍高度評價了空軍第１７集團軍的行動，
他說："１９４２年１２月１６日至１８日，空軍第１７集團軍的飛行員們打得非常出色。"
航空兵卓有成效的支援保證了地面部隊擴大戰果，到１２月２１日，西南方面軍即切斷了意大利第８集團軍主力部隊的一切退路。坦克第２４軍所取得的戰果最為顯著，該軍５天前進了２４０公里，於１２月２４日以迅猛的衝擊一舉攻佔塔欽斯卡亞機場，擊毀和繳獲３５０架敵機。軍長巴丹諾夫將軍由於這一英勇行動在蘇軍中第１個榮膺二級蘇沃羅夫勳章。
從１９４２年１２月１６日至３１日，蘇聯空軍第２和第１７集團軍共出動飛機４１７７架次，其中８０％以上直接用於支援地面部隊。西南方面軍在航空兵的協助下，１５天內挺進了１００至２００公里，殲滅德軍及其僕從國部隊６萬餘人，打垮了敵托爾莫辛集團。從此，希特勒解救被圍德軍的企圖被徹底粉碎。
被出賣了的集團軍
在１９４２年１２月的各次戰鬥中，德軍被圍集團有約８萬人被蘇軍消滅，被圍人數已由３３萬減為２５萬。
早在１１月２２日合圍圈將要封閉時，德第６集團軍司令保盧斯和第８航空軍司令菲比希就曾給希特勒去電建議：如空中補給行不通的話，可以利用突圍挽救集團軍。然而希特勒堅持一旦佔領的土地就不准再丟失的原則。這位元首已經失去了理智，
他將負責空軍的戈林元帥找來，說："空軍如果不去救援的話，第６集團軍的末日恐怕就要到了。
"戈林怕自己成為替罪羊，只好向他保證，德國空軍能夠支援第６集團軍。因此，希特勒給予保盧斯請求突圍的答覆是"不行！"他命令第６集團軍面對斯大林格勒就地構築環形築壘陣地進行死守，等待１９４３年發動的進攻來解救他們。命令的結尾一句話是："第６集團軍補給由空運解決。"德軍當時缺少運輸機，１１、１２月份頓河地區的天氣又十分惡劣，希特勒卻不顧前線司令官們的一致反對，要用空運解決２５萬人的軍需，這顯然是無稽之談。難怪第４航空隊司令裡希特霍芬上將聽說後大喊："這樣做簡直是發瘋！"連後來奮力為被圍集團空運的德軍飛行員們也稱保盧斯的部隊是"被出賣了的"第６集團軍。
１１月２４日，德軍運輸機部隊接到空軍總司令下達的命令，要求他們無論如何每天要給包圍圈內的德軍空運３３０噸物資。德國空軍向斯大林格勒方向調遣了最強的轟炸機中隊以及運輸機集群。最初幾個星期，有近６００架飛機參加了運輸。他們還選調了德軍飛行學校部分經驗豐富的教官擔任運輸機駕駛員，這些教官能夠在各種氣象條件下執行戰鬥任務，能在白天和夜晚遠距離飛行。１９４２年１２月至１９４３年１月，德國空軍為了解救在斯大林格勒地區被圍的部隊，共出動飛機１４０９７架次。
為了粉碎德軍空中供給計劃，蘇軍對敵被包圍集團進行了空中封鎖。空中封鎖是由西南方面軍、頓河方面軍和斯大林格勒方面軍的航空兵和防空部隊，在國土防空軍部隊的密切配合下實施的。空軍司令員諾維科夫在１１月底和１２月初數次給各空軍集團軍、防空殲擊航空兵和遠程航空兵下達命令或指示，指出同德軍運輸航空兵作鬥爭是當前蘇軍航空兵的一項最主要的任務。
為了有效地消滅著陸機場上和空中的德軍運輸機，蘇軍沿合圍圈建立了報知和引導無線電台網，並由地面部隊中的航空兵代表使用無線電設備進行報知和引導。這個系統在與德軍運輸航空兵的鬥爭中起了重大作用。１２月１１日晨，殲擊航空兵第２３５師師長波德戈爾內上校帶領１８架殲擊機，根據無線電引導站的信號起飛了。在地面電台的引導下，他們在大切普爾尼克地域內向１６架敵運輸機發起突然攻擊，這些敵機載著物資正飛向斯大林格勒，並有４架Ｍ－１０９戰鬥機掩護。蘇殲擊機一舉擊落敵９架運輸機，其中５架在空中燒燬，其餘的迫降在野外，８名飛行員被俘。剩下７架敵機企圖回逃，但被蘇殲擊機追上去又消滅了６架，只有１架敵機越過戰線逃掉了。
德軍大部分出擊機場都遠離合圍地域２５０到３５０公里，因此，戰鬥機為轟炸機和運輸機護航已無可能。於是，德軍就改在夜間或白天複雜氣象條件下飛行。部分敵機乘合圍地域以南既無綿密正面又無蘇軍機場，從該地域南面竄到伏爾加河東岸，爾後再北轉，從東面進入斯大林格勒地區。在這種情況下，蘇軍不得不對敵被圍集團組織環形封鎖。
封鎖區劃分為４個空域：１號空域為合圍對外正面以外的地區，主要任務是消滅起飛機場上的敵機。在該空域作戰的有空軍第８、第１６和第１７集團軍以及遠程航空兵的部隊。他們曾先後對德軍莫羅佐夫斯克、塔秦斯卡亞、薩利斯克、新切爾卡斯克和羅斯托夫等機場進行了猛烈襲擊。最典型的一次是１月９日對薩利斯克機場的成功突擊。這次突擊是巴赫金大尉帶領７架伊爾－２飛機在１個殲擊機大隊護送下實施的。根據空中偵察的情報得知，在薩利斯克機場上集結有３００多架敵運輸機和作戰飛機。伊爾－２飛機突然穿雲而出，對機場進行了果斷的和極其巧妙的第１次攻擊，緊接著又先後５次進入目標，用炸彈、火箭彈和槍炮火力擊毀擊傷７２架敵運輸機，空中還擊落德戰鬥機３架，自己僅損失飛機４架。
２號空域位於合圍的對內對外正面之間，這個區域是環形的，它分為５個扇區，每個扇區由１個航空兵師負責。在該空域內，殲擊機從"機場待戰"和"空中待戰"狀態出動，截擊和消滅德機。
３號空域圍繞並緊靠著整個合圍地域。在該空域內由高射炮兵消滅德機。為此，在這個區域內集中了各方面軍和斯大林格勒軍級防空地域的近４００門高射炮和２５０挺高射機槍。
合圍地域本身是第４號空域。在這裡，空中和地面的德軍飛機由航空兵、高射炮兵和野戰炮兵負責殲滅。德軍的機場白天由殲擊機封鎖，夜晚由波－２輕型轟炸機封鎖。當機場夜航燈打開時，空中值班的波－２飛機立即對該機場投彈。
航空兵和高射炮兵聯合對斯大林格勒地區被圍德軍實施的空中封鎖極有成效。在整個封鎖過程中，通過空戰、突擊機場和對空射擊等戰鬥行動，共消滅了近１２００架德國飛機，其中８０％是運輸機和轟炸機。德國空軍還損失了大批訓練有素的飛行員。第６集團軍旗均每天只得到５０-８０噸物資，而不是許諾的３００噸。由於得不到必需的物資器材、給養、彈藥和汕料，被圍德軍的作戰能力受到嚴重影響。空中封鎖有力地促成了被圍德軍集群的崩潰。
蘇軍統帥部粉碎了德軍為被圍集團解除封鎖的企圖後，決定徹底消滅該集團。１９４３年１月１０日，在第６集團軍拒絕接受敦促投降的最後通牒後，頓河方面軍對敵發動了進攻。空軍第１６集團軍積極支援地面部隊突破敵防禦地幅，一晝夜內即出動飛機６７６架次，突擊了被圍德軍的部隊、司令部以及抵抗樞紐部，從空中牢固地封鎖了大羅索什卡和皮托姆尼克機場。蘇軍轟炸航空兵第２軍的飛行員們積極行動，在戰役的第１天出動了飛機１７２架次。由於德軍的機場距離太遠，其戰鬥機無法到合圍地域作戰。至１月２２日，蘇軍開始對德軍集團分割圍殲，德軍被分割為南北兩部。１月３１日，南部德軍被殲，德軍第６集團軍司令保盧斯被俘。２月２日北部集群也投降了。
２月２日夜裡，德軍兩架海－１１１式飛機再次滿載物資飛到斯大林格勒上空。但是，無論怎麼尋找，下面都沒有動靜。因為戰鬥已經結束了。
蘇軍航空兵在斯大林格勒會戰中積極而堅決的作戰行動，使得蘇軍在戰役的反攻階段再次奪得制空權。蘇軍的雄鷹在斯大林格勒上空又得以自由翱翔，對蘇軍包圍並最終消滅德軍第６集團軍旗了至關重要的作用，並對從根本上削弱德國空軍的力量，奪取蘇德戰場戰略制空權創造了有利條件。德國空軍作為一支所向無敵的武裝集團的形象，從此無可挽回地破滅了。
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