Содействие вводу в сражение и наступлению в глубине 13-го, 4-го механизированных и 4-го кавалерийского корпусов намечалось осуществлять ударами штурмовой авиации по огневым точкам и резервам противника, а прикрытие войск от воздействия вражеской авиации патрулированием истребителей в воздухе. В целях успешного осуществления взаимодействия с механизированными корпусами в глубине обороны противника каждому из них было придано по одному штурмовому и одному истребительному авиационному полку.
Для действий по резервам противника выделялась одна бомбардировочная дивизия. Часть сил авиации намечалось применить в интересах 62-й армии в случае перехода противника в наступление в полосе ее обороны.
Впервые боевые действия 8-й воздушной армии в наступательной операции были спланированы в форме авиационного наступления, которое предусматривало непрерывные действия авиации при подготовке атаки, в период атаки и во время действий пехоты и танков в глубине обороны противника.
В 17-й воздушной армии (командующий генерал С. А. Красовский, заместитель по политической части бригадный комиссар В. Н. Толмачев, начальник штаба полковник К. И. Тельнов) истребительные и штурмовые дивизии были оперативно подчинены командующим общевойсковыми и танковой армиями. По указанию командующего войсками Юго-Западного фронта генерала Н. Ф. Ватутина предусматривалось массированное применение авиации при нанесении ударов по резервам, танковым и моторизованным дивизиям противника.
В 16-й воздушной армии (командующий генерал С. И. Руденко, заместитель по политической части полковник А. С. Виноградов, начальник штаба генерал М. М. Косых) боевые действия авиации были спланированы на операцию с определением объектов действий и времени ударов на период прорыва тактической зоны обороны противника.
Авиации дальнего действия ставилась задача вести боевые действия в полосе Юго-Западного фронта по разрушению аэродромов, железнодорожных узлов, станций и воспрещению подхода резервов противника из глубины.
В соответствии с задачами и планами боевого применения авиации была проведена перегруппировка сил. Для усиления поддержки ударной группировки войск Юго-Западного фронта три авиационные дивизии 2-й воздушной армии Воронежского фронта (командующий армией генерал К. Н. Смирнов, заместитель по политической части генерал С. Н. Ромазанов, начальник штаба полковник Н. Л. Степанов) были перебазированы на правое крыло Юго-Западного фронта. Часть авиационных дивизий 2, 17 и 8-й воздушных армий за один-два дня до начала контрнаступления были перебазированы на передовые аэродромы.
В целях осуществления взаимодействия авиации с сухопутными войсками были разработаны плановые таблицы действий войск и авиации фронтов, в штабы общевойсковых армий направлены авиационные представители со средствами радиосвязи, а в 5 ю танковую и 21-ю армии Юго-Западного фронта оперативные группы.
Для маскировки действительной дислокации авиационных частей строились ложные аэродромы. В 8-й воздушной армии на 25 действующих аэродромов было подготовлено 19 ложных, на 14 из них имитировались полеты ночью.
Много было сделано политорганами и партийно-комсомольскими организациями. Для воспитания личного состава на боевых традициях героического прошлого Красной Армии широко пропагандировалось обращение участников Царицынской обороны к защитникам города-героя. Накануне контрнаступления в частях и подразделениях проводились партийные и комсомольские собрания о задачах коммунистов и комсомольцев в предстоящей операции, а в ночь перед наступлением всему личному составу были зачитаны приказы военных советов фронтов.
Утром 19 ноября 1942 г. войска Юго-Западного фронта после мощной артиллерийской подготовки перешли в контрнаступление. Туман и низкая облачность исключили возможность действий авиации по намеченному плану. Только одиночные штурмовики наносили удары по войскам противника на направлении главного удара 5-й танковой армии.
После ввода в сражение 1-го и 26-го танковых корпусов войска фронта в первый же день прорвали тактическую зону обороны противника и продвинулись на 30 - 35 км. На пятый день операции, пройдя с боями до 150 км, наши войска освободили Калач и захватили несколько аэродромов противника. Это вынудило его срочно перебазировать авиацию на тыловые аэродромы и сократить ее действия в полосе наступления наших войск. Вследствие плохой погоды наша авиация продолжала действовать ограниченными силами.
Контрнаступление войск Сталинградского фронта началось 20 ноября. 8-я воздушная армия из-за тумана и плохой видимости действовала одиночными самолетами, уничтожая танки, кавалерию противника, и прикрывала части 13-го и 4-го механизированных корпусов. За четыре дня войска фронта успешно продвинулись на 115 км, овладели городом Советский и 23 ноября замкнули внутренний фронт окружения, соединившись в районе Калача с танковыми корпусами Юго-Западного фронта. В эти дни, несмотря на очень сложные метеоусловия, 8-я воздушная армия для поддержки войск совершила 340 самолето-вылетов.
16-я воздушная армия, поддерживавшая наступление 65-й и 24-й армий Донского фронта, из-за плохой погоды также не могла действовать с высокой активностью. За первые пять дней она совершила 238 самолето-вылетов для действий по живой силе и технике противника на поле боя, по его автоколоннам на дорогах и аэродромам.
Всего за время окружения вражеской группировки наша авиация произвела до 1 тыс. самолето-вылетов. Советские летчики, выполняя боевые задачи в сложных метеорологических условиях, показали образцы героизма и воинского мастерства. Так, 21 ноября шесть экипажей Ил-2, ведомые Героем Советского Союза капитаном В. М. Голубевым, вылетели для нанесения удара по аэродрому Совхоз "Победа Октября". На подходе к цели они были обстреляны зенитным огнем. Подавив средства ПВО, летчики атаковали аэродром и уничтожили восемь вражеских самолетов. На обратном маршруте штурмовики были атакованы истребителями. В ходе воздушного боя наши летчики сбили два Ме-109 и вернулись на свой аэродром без потерь.