就空中作战而言，苏军在莫斯科会战胜利后，及时总结了空战的经验教训，并针对苏军航空兵从总体上仍处于劣势的情况，对航空兵的作战使用及任务作了适当调整。苏军统帅部在１９４２年６月２９日的命令中指出：
方面军航空兵的首要任务是夺取制空权，为我方创造压倒敌人的优势，迫使敌航空兵，尤其是轰炸机离开战场；第二项任务是集中强击航空兵和轰炸航空兵的全部力量，用于攻击敌坦克和摩托化纵队，消灭敌有生力量，以此支援我军部队；第三项任务是，歼击航空兵不仅要掩护我部队，而且在可能的条件下对敌有生力量实施打击。
由于苏军与德军在斯大林格勒会战中展开了殊死搏斗，斯大林格勒附近的空中作战也因此特别激烈。德军在这里集结了战斗力最强的第４航空队，它拥有１２００架飞机和经验丰富的飞行员。苏军在斯大林格勒方向的空中力量主要是空军第８集团军，该集团军到会战开始共有４５４架飞机，其中包括７４架夜航轰炸机。此外，这里还有远程航空兵的２００架轰炸机及国土防空军的６０架歼击机。苏军航空兵集群在该方向上总共拥有７１４架飞机，在数量上显然处于不小的劣势，而且其中有近２００架是过时的旧式飞机。可见，会战初平空中斗争形势对苏军极为不利。
两河之间的空中肉搏
１９４２年７月，天气酷热而干燥，斯大林格勒仍处于和平的生活中，企业和机关都在工作，市内所有的电影院都开放，儿童在公园和街心花园里玩耍，扩音器里播送着音乐，并隔一定时间播送一次前线战报。然而，斯大林格勒的居民没有一个人不认为可怕的威胁已经笼罩着城市，而且不久就将与法西斯德军在这里展开激烈的交战。
苏军于７月１２日组建了斯大林格勒方面军，由铁木辛哥元帅任司令员，下辖第２１、２８、３８、５７、６２、６３、６４等７个诸兵种合成集团军和空军第８集团军。德军在斯大林格勒方向作战的是Ｂ集团军群，共有７１个师，担任直接进攻的部队是保卢斯指挥的第６集团军。第４航空队负责空中支援。
７月１７日，随着德军大规模进攻的开始，德国空军出动大批轰炸机，对战场上的苏军地面部队实施密集突击。苏军航空兵不顾数量上的劣势，顽强地抗击德军，在顿河到伏尔加河之间同德军展开了激烈的空战，甚至出现了空中肉搏。在这些日子里，双方每天进行６０…７０次空战，每次空战双方都出动５０…６０架飞机。
在头６天的战斗中，苏空军第８集团军支援了第６２和第６４集团军在奇尔河和齐姆拉河进行苦战的先遣支队。航空兵基本兵力主要用于消灭德军突击集团。轰炸机和强击机对公路上的德军坦克、汽车纵队以及德军的铁路车站和机场，进行了１０多次编队突击。远程航空兵还突击了德军集结地域、预备队和顿河、奇尔河上的德军渡口。
７月２３日，德军以两个强大集团对卡拉奇实施向心突击，前出至卡缅斯克地区内的顿河河岸，包围了苏军第６２集团军的部分军队，企图取近路向伏尔加河突破。苏空军第８集团军集中全力支援坦克第１、第４集团军，对突破防线的德军进行反突击。由于苏军航空兵的打击，德军遭到重大损失，第６２集团军部队也突出了包围。
苏军的轰炸机和强击机通常以４…６机编队活动，由２…４架歼击机护航。有时对敌军和技术装备集结地也以较大的兵力进行突击。７月３１日，苏军对卡拉奇地区的德军和渡口突击了４次，参加突击的飞机共有１６０多架，击毁击伤敌坦克３０多辆、汽车１５０多辆、满载弹药的马车５０辆和一些火炮。除了白天行动之外，轰炸机还进行了夜间突击。德军在苏军航空兵连续不断地空中打击下，不得不减慢了推进速度。
在那些艰苦日子里，苏军歼击航空兵第４３４团的飞行员在克列谢夫少校的指挥下，打得格外出色。他们在战斗的前１８天里进行了１４４次空战，共击落敌机３６架。克列谢夫少校是歼击航空兵战术的革新者，他很重视研究敌人的战术，寻求空中作战的新方法，不断提高自己的战斗技能。他每次升空都希望能找到敌人，打一次积极的进攻战。他认为攻击的突然性是胜利的保证。他以此教育自己的部下。经他培养的受勋英雄多达数十名。中尉库库什金和中士斯米尔诺夫就是其中的两人。他们有一次完成战斗任务后，在返场途中遇上了有１２架战斗机护航的９架德国轰炸机。他们不畏敌众己寡，坚决投入了力量悬殊的战斗，凭着勇敢精神和熟练的技术，击落了５架敌机，将敌机群冲散，粉碎了敌人突击的企图。而中队长库库什金却英勇牺牲了。
德军旗图从西线向伏尔加河突破遭到挫折后，变更了军队部署，把坦克第４集团军从高加索方向调来，从西南方向发起进攻。８月初，这个集团军在航空兵的配合下即前出到科捷利尼科沃地区，造成了对苏军第６２和第６４两个集团军翼侧和后方的威胁。为了抗击突入的德军集团，苏空军第８集团军每天出动飞机达６００架次，在战场上空与德军飞机展开了激烈的空战。对敌机场实施突击也是消灭敌航空兵的有效办法。仅８月９日一天，８架伊尔－２飞机对德军停有９０架飞机的奥勃里夫斯卡亚机场实施的突击就击毁敌机达４０架。
由于斯大林格勒方面军战线太长，不便指挥，苏军统帅部于８月５日将其部队改编为斯大林格勒方面军与东南方面军。空军第８集团军编入东南方面军，为斯大林格勒方面军组建了空军第１６集团军。
在那连续作战的艰难日子里，苏军歼击机飞行员对胜利表现出了坚定的信念。８月６日，歼击航空兵第１８３团中队长巴拉诺夫上尉率４架雅克－１飞机在顿河渡口上空巡逻，同敌人的２５架歼击机遭遇，巴拉诺夫立即指挥展开勇猛攻击。第一次攻击就准确地击落敌机１架，接着又对跟进的敌轰炸机发起攻击，击伤其中１架，并迫使其降落在苏军驻地。这时，德军战斗机正在攻击苏军强击机，巴拉诺夫闻讯立即赶来支援，在击落敌１架Ｍ－１０９飞机后，他的弹药消耗殆尽，但他并没有撤出战斗，而是驾机向敌机冲去，以机翼撞击敌机尾翼，自己跳伞离机。就这样，这位英勇的飞行员在几分钟内就击落敌机４架。
８月２３日，德军利用优势兵力，以巨大伤亡为代价突破苏军防线，前出至拉托什卡·雷诺克地区内的伏尔加河。德军约４００架飞机当日下午对斯大林格勒实施了猛烈的密集突击。虽然苏军高射炮火猛烈射击德机第１梯队，但是德机并没有改变航向，空中强烈的响声越来越接近市区。当第１梯队德机投下爆破弹和燃烧弹后，市内开始出现大火。夜幕降临前，德航空兵对斯大林格勒出动了近２０００架次，上百座建筑物被破坏，无数手无寸铁的妇女、儿童、在医院治疗的负伤军人被炸死。这是对有成千上万和平居民的城市的野蛮破坏。苏军歼击机抗击了空袭，在城市上空进行了２５次空战，击落了９０架法西斯飞机。
在激烈的交战过程中，苏联飞行员时常采用德国飞行员所不敢采用的空战方法——快速迎头攻击或撞击。在空战紧要关头，如用品他方法不能击落敌机时，苏军即采用空中撞击。１９４２年９月８日，歼击航空兵第５２０团的１个歼击机编队在掩护地面部队时与１０架德国轰炸机遭遇。首次出战的年轻飞行员戈莫尔科上士，大胆地闯入德机队形，一举击落１架轰炸机。后来他在攻击中弹药耗尽，自身负伤，便毅然决定进行空中撞击。他用自己飞机的螺旋桨砍断敌另１架轰炸机的尾翼，尔后跳伞离开了失去操纵的飞机。他在伞降过程中就做好了同跳伞的德国飞行员进行战斗的准备。落地后，他当场击毙１个企图抵抗的德国飞行员，俘虏了其余两个。
苏军另一名年轻飞行员拉夫里年科夫准尉有一天在伏尔加河上空巡逻时，发现两个敌轰炸机群，他毅然决定单机攻击它们。攻击前，一名显然是兄弟团掉队的飞行员在向他靠拢。〃我们攻击！〃拉夫里年科夫用无线电喊了一声。那名素不相识的飞行员用一阵炮火射中了１架敌机，而拉夫里年科夫则以机枪的一次短连射击落了敌带队的轰炸机。两架法西斯飞机即刻着火。在第２次攻击时，拉夫里年科夫又击中了敌１架轰炸机。就在这时，４架德国战斗机向他们飞来，拉夫里年科夫和那个他始终不知姓名的拉－５飞机飞行员，奋不顾身地投入了迎头攻击。德国飞行员被这勇敢的动作吓破了胆，不敢应战，转身逃跑了。
歼击航空兵第２９１团政委比诺夫在一次空战中击落敌战斗机１架，接着又以自己飞机的机翼撞下第２架战机，尔后自己安全降落。该团中尉皮亚托夫在一次空战中曾两次撞击１架敌机，敌机在受到第２次撞击后，凌空爆炸，而皮亚托夫却安全返场降落。苏联飞行员在战斗中都表现出了高超的飞行技能和战斗素养。
对〃老鼠战〃的空中援助
到９月中旬，德军已进抵斯大林格勒城的外围防线，在第６２和第６４集团军的接合部突破了防御，占领了许多重要高地并前出到距市中心３…４公里的地方。苏军统帅部给斯大林格勒方面军和东南方面军下达了下述任务：坚守城市防线，从南北两面实施反突击以削弱敌人，守住顿河右岸的登陆场并积蓄力量准备随后转入反攻。
市区防守部队是６２集团军，由崔可夫中将任司令员，兵力约４万多人。德军攻城兵力共１３个师约１７万人，是苏军的４倍。德军占领了有利的出发阵地，调集了预备队之后，９月１３日便开始攻城。从９月中旬到１１月中旬，苏军和德军就在这被炸成的瓦砾堆里进行激烈的逐屋争夺的巷战。每个街区、每幢楼房、甚至每一层楼都经过反复争夺，许多阵地失而复得。德国人把这场在瓦砾堆里进行的战争称之为〃老鼠的战争〃。
这时苏军航空兵面临的任务是：协助实施反突击的部队和从空中直接支援在斯大林格勒市内为夺取每一街区、每条街道和每座房子而进行战斗的第６２集团军的部队。
苏军轰炸机和强击机的突击依次从城市的一个地区转到另一个地区。９月２３日，空军第８和第１６集团军的航空兵和远程航空兵突击了市中心的德军。９月２４日则转到市区南部向法西斯军队积极突击。航空兵指挥员从步兵师、团长指挥所里利用信号弹、烟幕弹和曳光弹将飞机，特别是强击机引向点状目标。航空兵攻击的主要目标是被敌人占领的一些楼房、敌炮兵、迫击炮、坦克、集结的部队和技术装备。
从９月２７日到１１月１８日这一时期城内的作战重心转到了争夺住宅和工厂区。苏军地面部队在航空兵的支援下不仅击退了敌人的多次冲击，而且自己也不断地转入反冲击。航空兵为支援陆军夜以继日地进行战斗活动，对德军机场、铁路目标、预备队实施突击。
９月２８日，斯大林格勒方面军改称为顿河方面军，东南方面军改为斯大林格勒方面军。苏军空军司令员诺维科夫将军亲临战区，及时地采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决定性方向上，严格遵守对战斗行动的集中指挥，保留部分兵力作为预备队，周密地组织空中侦察以加强对敌突击。
德军占领拖拉机厂以后，将其主要兵力集中用于攻打苏军第６２集团军。苏军夜间轰炸航空兵第２７２师便给每个团都规定了在拖拉机厂厂区内活动的具体目标、进入目标的方向和突击的时间。飞行员们积极出战，共出动飞机３７５架次。敌人每隔３…５分钟就遭到一次攻击。为了保障行动顺利，苏军还派出了有经验的机组去压制目标区的敌防空兵器。轰炸机的突击不仅使敌人遭受重大损失，而且整日整夜搅得敌人不得安宁。１０月，苏军的波－２飞机进行了高度紧张的战斗活动，每个机组每夜完成７…１０次战斗出动，每架飞机向敌人投下１８０…３５０公斤炸弹。第２７２师有效地帮助了第６２集团军的防御战斗。
诺维科夫要求空军集团军的每个歼击航空兵师都要建立歼击游猎机编队，编队要演练歼击游猎机的战术。歼击游猎机飞行员不仅是勇敢的飞行员，并且是沉着、谨慎且对自己、自己的飞机和武器充满信心的人。〃猎手〃歼击机的战术也不断地得到改进。他们在战场上更加活跃，经常到敌方去搜索和消灭单个敌机、行驶中的军运列车、司令部的汽车、无线电台和火炮等。
苏军航空兵高度重视夜间对斯大林格勒�