К концу сентября в состав армии вошла 271-я ночная бомбардировочная авиадивизия (нбад) (командир полковник М. X. Борисенко, военком полковой комиссар В. З. Гультяев, начальник штаба полковник И. Е. Фельдшеров), которая имела 702, 901, 970, 372, 714-й (в ноябре два последних ушли в резерв) авиаполки на самолетах По-2.
Контрудары войск Сталинградского и Юго-Восточного фронтов на подступах к Сталинграду в сентябре 1942 г. имели очень важное значение для обороны города. Летчики 16-й, соседней 8-й воздушных армий и авиации ПВО в крайне тяжелых условиях воздушной обстановки оказывали значительную поддержку войскам на поле боя, а также отражали воздушные налеты вражеской авиации на город.
По количеству воздушных боев и уничтоженных самолетов противника выделялся еще 237-й иап. Его летчики провели 44 боя и сбили 28 фашистских самолетов. Командир полка коммунист майор А. Б. Исаев, выполняя по нескольку боевых вылетов в день, служил для личного состава примером мужества, отваги и летного мастерства. Отлично дрались летчики этого полка старший лейтенант И. Ф. Балюк, лейтенант Колючник, старшие сержанты А. И. Денисов, Н. И. Крючков, В. А. Лимаренко, Я. Д. Михайлик, А. А. Полосенко, И. М. Чумбарев, Г. В. Шерстнов и другие.
Образцы ведения воздушного боя показали летчики 867-го иап коммунист командир звена Роганов и комсомолец сержант А. Ф. Вакула, а в 43-м иап старшие лейтенанты Ч. К. Бенделиани и Л. И. Борисов, сержант Смирнов. У летчика Ч. К. Бенделиани излюбленным приемом воздушного боя были стремительные лобовые атаки, которых немецкие летчики всячески избегали.
За первый месяц боевых действий 16-й воздушной армии летчики совершили 5225 боевых самолето-вылетов, из них на бомбардировку и штурмовку войск и аэродромов противника — 992, на прикрытие войск фронта, аэродромов, города Камышина и перехват самолетов противника — 2462, на сопровождение авиации 1356 и на воздушную разведку — 358. В проведенных 384 воздушных боях советские летчики сбили 290 фашистских самолетов. Кроме того, было уничтожено и повреждено 6 самолетов на аэродромах, около 400 танков и бронемашин, 1398 автомашин и автоцистерн, 183 орудия и много другой боевой техники, а также выведено из строя несколько тысяч вражеских солдат.
В ожесточенных боях под Сталинградом несла потери и воздушная армия. Летчики 220-й иад за сентябрь сбили 93 вражеских самолета, а потеряли 91; при этом погибло 48 летчиков и ранено — 16. Летчиками 283-й иад было уничтожено 105 самолетов противника, а боевые потери составили 66 самолетов (43 % от имевшихся) и 35 человек летного состава (более 30 %). Наибольшие потери в сентябре понесли штурмовики — одну боевую потерю на 20 самолето-вылетов.
На 1 октября в составе 16-й воздушной армии было 13 ночных бомбардировщиков, 93 штурмовика, 120 истребителей и 6 разведчиков — всего 232 самолета. Ее боевой состав по количеству самолетов не уменьшился; все потери были полностью восстановлены благодаря героическим усилиям советского народа, завершившего перестройку всех отраслей народного хозяйства для обеспечения нужд фронта.
С 28 сентября директивой Ставки Сталинградский фронт реорганизовался и стал именоваться Донским, а Юго-Восточный — Сталинградским. Командующим Донским фронтом был назначен генерал-лейтенант К. К. Рокоссовский.
В октябре 1942 г. 16-я воздушная армия обеспечивала частные операции и контрудары общевойсковых армий. Нужно было измотать врага и отвлечь его силы от главных направлений. Одна из таких частных операций под кодовым названием «Дон» проводилась ударной группой Донского фронта в середине октября. Воздушная армия в этой операции выполняла следующие задачи: вела борьбу с авиацией противника, уничтожала вражеские войска перед фронтом, содействовала войскам 24-й и 66-й армий в прорыве обороны противника, вела воздушную разведку и разрушала переправы через Дон.
Об успешной борьбе с вражеской авиацией свидетельствуют воздушные бои 16 октября, когда истребители одной лишь 220-й иад сбили 9 и подбили 4 фашистских самолета. Победителями этих боев были коммунисты и комсомольцы лейтенант В. И. Иванов (сбил два Ме-109), сержант Логачев, батальонный комиссар И. М. Мамыкин, капитаны И. П. Моторный и З. В. Семенюк, старшие лейтенанты В. Н. Макаров и П. П. Ратников, младшие лейтенанты Мартынов и Б. М. Ривкин.
271-я нбад в течение двух ночей (17 и 18 октября) бомбардировочными ударами уничтожала живую силу и технику противника перед фронтом 24-й и 66-й армий, а также вражеские самолеты на аэродроме Большая Россошка.
Днем боевые действия по войскам противника вели штурмовики 228-й и 291-й шад под прикрытием истребителей 220-й и 283-й иад. Сосредоточенными ударами штурмовики содействовали прорыву обороны противника. В последующих вылетах они не допускали подхода вражеских резервов из глубины обороны. При этом весьма удачно действовала группа штурмовиков во главе с командиром 243-го шап майором А. Г. Наконечниковым.