12 декабря котельниковская группировка начала наступление в направлении Сталинграда. Советское командование потребовало от 16-й воздушной армии усилить удары по окруженным фашистским войскам.
С утра 12 декабря воздушные разведчики обнаружили в районе Карповки большое количество танков, самоходных орудий и бронетранспортеров, за ними пехоты в готовности начать прорыв. Вскоре появились бомбардировщики и штурмовики воздушной армии. Они нанесли мощный бомбо-штурмовой удар по немецко-фашистским войскам, уничтожили большое количество живой силы и техники и рассеяли их, предотвратив, таким образом, попытку выхода армии Паулюса из окружения.
В середине декабря, по данным воздушной разведки, стало известно, что окруженные вражеские войска снова сосредоточиваются с целью прорыва фронта окружения. Эти данные были подтверждены показаниями пленных. Части Манштейна в это время упорно рвались вперед и их отделяло от окруженной группировки расстояние не более 40–45 км. Предотвратить прорыв было приказано 16-й воздушной армии.
Утром 18 декабря для сосредоточенного удара по скоплению вражеских войск в балке Яблоневая в воздух поднялись 112 самолетов: 74 бомбардировщика Пе-2, 10 штурмовиков Ил-2 и 28 истребителей Як-1. Первыми иад целью появились Пе-2 самолеты 2-го бак. Их бомбовый залп оказался внезапным для окруженных фашистов, в рядах противника началась паника, тут и там возникали пожары, взрывались боеприпасы.
Вторым эшелоном шли штурмовики 228-й шад во главе с командиром 243-го шап майором А. Г. Наконечниковым. Вначале они нанесли бомбовый удар с пикирования. На следующих заходах штурмовики с бреющего полета расстреливали фашистов из пушек и пулеметов, уничтожали артиллерию, танки и автомашины. Истребители прикрытия под командованием Героя Советского Союза майора В. И. Шишкина тоже приняли участие в атаках, уничтожая врага пулеметно-пушечным огнем. В течение всего дня штурмовики группами по 7–9 самолетов продолжали громить врага, рассеивая живую силу и уничтожая боевую технику. Эффективность бомбоштурмовых ударов была очень высокой. Понеся большие потери, вражеские войска отказались от попытки вырваться из окружения. Всего в течение суток летчики воздушной армии выполнили 459 самолето-вылетов.
19 и 20 декабря авиаторы поддерживали войска соседнего Сталинградского фронта и вместе с летчиками 8-й воздушной армии наносили удары по танкам котельнковской группировки, рвавшейся к Сталинграду. В этих целях частями 16-й воздушной армии было выполнено 112 самолето-вылетов. В результате напряженных воздушных боев, развернувшихся в районе реки Мышкова, немецкие истребители были вытеснены с поля боя, что позволило штурмовикам и бомбардировщикам беспрепятственно нанести большой урон вражеским войскам. Одновременно авиация оказывала поддержку войскам 21-й и 65-й армий. Истребители армии прикрывали от воздушного противника 2-ю гвардейскую армию, которая выгрузилась из эшелонов без потерь и своевременно начала боевые действия. За два дня воздушная армия выполнила 796 самолето-вылетов.
24 декабря танкисты 1-й гвардейской армии стремительным рейдом заняли аэродромы Тацинская и Морозовск. На аэродроме Тацинская было захвачено и раздавлено танками до 350 самолетов, главным образом транспортных. Снабжение по воздуху окруженных под Сталинградом войск стало для гитлеровцев еще более сложным.
Понеся столь большие потери в самолетах и потеряв основные базы транспортной авиации, немецкое командование резко сократило полеты транспортных самолетов и начало применять для перевозки грузов в район окружения бомбардировщики Хе-111, обладавшие большей дальностью, скоростью и обороноспособностью, а также дальние разведчики — четырехмоторные ФВ-200 «Кондор». Бороться с боевыми самолетами стало труднее. Но к этому времени летчикам 16-й воздушной армии удалось подавить сопротивление немецких истребителей внутри кольца и усилить блокаду аэродромов днем и ночью.
В результате немцы почти полностью отказались от посадок транспортных самолетов внутри окруженной группировки и применили сбрасывание грузов на парашютах, главным образом ночью. Это было менее опасным, но в то же время окончательно терялась возможность вывозить раненых и штабы. Многие вражеские летчики стали сбрасывать грузы, не долетая до зоны зенитного огня. Мешки с одеждой, баллоны с бензином, боеприпасы и продовольствие все чаще оказывались в расположении наших войск.