10 июля четырнадцать немецких дивизий при поддержке авиации перешли в наступление. Прорвав оборону, они устремились к Киеву. Возникла угроза захвата врагом столицы Украины. С целью срыва планов противника советские войска при содействии авиации нанесли контрудар во фланг противнику - в направлении на Новгород-Волынский и Червоноармейск. Тяжелые бои на киевском направлении продолжались около месяца. Потеряв свои лучшие отборные войска, противник прекратил наступление.
В срыве вражеского наступления немаловажная роль принадлежала нашей авиации, которая применялась массированно и целеустремленно на решающих участках фронта. В интересах 5-й армии, наносившей контрудар, было привлечено шесть авиационных дивизий фронтовой авиации и два корпуса дальнебомбардировочной авиации. Наши летчики вели боевые действия с большим напряжением, ежедневно совершая по 4 - 5 боевых вылетов. Они подвергали ударам танковые и моторизованные колонны на шоссе Житомир - Киев, уничтожали войска на поле боя и авиацию на аэродромах, прикрывали с воздуха Киев, переправы и мосты через Днепр, железнодорожные узлы Нежин и Чернигов. На выполнение всех этих задач было совершено до 5 тыс. самолето-вылетов.
В боях под Киевом особенно успешно сражались летчики 62-й бомбардировочной авиационной дивизии под командованием Героя Советского Союза полковника В. В. Смирнова и 36-й истребительной авиационной дивизии, которой командовал Герой Советского Союза полковник В. В. Зеленцов. За активную помощь войскам в отражении наступления противника летчики этих дивизий получили благодарность от Военного совета Юго-Западного фронта.
На самом южном крыле советско-германского фронта наши войска поддерживались четырьмя авиационными дивизиями Южного фронта и ВВС Черноморского флота, которые за 45 дней совершили свыше 10 тыс. самолето-вылетов.
В боях высокое мастерство, отвагу и героизм проявили летчики 210-го бомбардировочного авиационного полка (командир подполковник А. В. Кожемякин). 31 июля в районе Голованевска танки и пехота противника атаковали части 17-го стрелкового корпуса. Большую активность проявила и немецкая артиллерия. На помощь советским войскам были привлечены экипажи бомбардировочного полка, которые подавили огонь артиллерии, взорвали склад боеприпасов и уничтожили несколько танков врага. Благодаря этому наши войска вышли из-под удара превосходящих сил противника. Военный совет 18-й армии объявил благодарность летному составу 210-го бомбардировочного авиационного полка. В период 14 - 16 августа в районе Баштанка, Бармашев, станция Явкино бомбардировщики 210-го полка уничтожили до 8 танков и 30 автомашин, чем содействовали выходу из окружения частей 18-й армии. За эти действия летчики полка были отмечены второй благодарностью командования. Позднее, ведя боевые действия на днепропетровском направлении, экипажи 210-го бомбардировочного полка только 25 и 26 августа вывели из строя несколько танков и 18 автомашин с пехотой, разрушили переправу через Днепр. За большие заслуги перед Родиной 13 летчиков полка были награждены орденами.
Не менее успешно сражались экипажи 5-го бомбардировочного авиационного полка (командир подполковник Г. С. Кучерков). 15 июля в районе Леово они помогли частям 2-го стрелкового корпуса отразить атаку танкового соединения противника. 21 июля летчики этого полка совместно с истребителями 67-го истребительного авиационного полка нанесли большой урон вражеской дивизии, а 23 июля разрушили две переправы в районе Ямполь, Сороки. Напряженно сражались и истребители 131-го истребительного авиационного полка (командир подполковник Л. А. Гончаров). За 4 месяца войны они совершили до 1500 самолето-вылетов только на штурмовые действия по войскам на поле боя. Хотя на вооружении полка находились устаревшие типы самолетов, летчики провели множество воздушных боев и уничтожили в них 63 фашистских самолета, потеряв своих 38{51}.
В боях на этом направлении получил боевое крещение командир звена 55-го истребительного авиаполка старший лейтенант А. И. Покрышкин, ныне генерал-полковник авиации, трижды Герой Советского Союза. 20 июля он вылетел на разведку в район Бельцы. Во время выполнения боевой задачи его самолет был подбит огнем зенитной артиллерии противника. Продолжать полет было невозможно. Приземлившись на территории, занятой врагом, Покрышкин уничтожил свою машину, сумел пробраться через линию фронта и на третьи сутки вернулся в часть. Прошло несколько дней, и он снова начал выполнять боевые задачи. В одном из вылетов в районе Акимовки старший лейтенант Покрышкин поджег железнодорожные сооружения и подавил огонь артиллерийской батареи немцев. Меткие и решительные атаки его летчиков помогли нашим войскам вытеснить фашистов из населенного пункта. Покрышкину и летчикам его звена была объявлена благодарность командующим ВВС 9-й армии. Перегруппировав войска и усилив свою южную ударную группировку двумя армиями, переброшенными из района Смоленска, немецкое командование возобновило наступление. Соотношение сил сторон на этом направлении резко изменилось в пользу противника. Войска Юго-Западного и Южного фронтов оказались в очень тяжелом положении. Их с воздуха поддерживали соединения фронтовой авиации и две дивизии дальнебомбардировочной авиации. Кроме того, сюда были направлены 4-я и 5-я резервные авиационные группы, которые насчитывали четыре истребительных, три штурмовых и два бомбардировочных авиационных полка.
В течение сентября советская авиация совершила на этом направлении около 10 тыс. самолето-вылетов. При этом до 80% ее сил направлялось на борьбу с 1-й и 2-й танковыми группами немцев и уничтожение их переправ на реках Десна и Днепр. Однако превосходство врага было подавляющим, и решить эти задачи полностью не удалось. Продолжая развивать наступление, фашистские войска 9 сентября окружили в районе Киев, Прилуки, Пирятин часть войск Юго-Западного фронта.
В окружении оказались также командование и штаб военно-воздушных сил фронта, а также личный состав некоторых авиационных дивизий. Заместитель командира 62-й бомбардировочной авиационной дивизии генерал Г. И. Тхор, попав в окружение в районе города Пирятин, возглавил группу офицеров и сержантов тыла ВВС и с боями стал выводить их из окружения. В неравном бою с превосходящими силами врага он был тяжело ранен и в бессознательном состоянии взят в плен.