На рассвете 12 июля при поддержке авиации и под прикрытием дымовой завесы, поставленной штурмовиками, перешли в атаку ударные группировки фронтов. Группы штурмовиков по 10 - 12 самолетов под прикрытием истребителей непрерывно находились над полем боя, подавляя огневые точки, уничтожая танки и живую силу врага.
Фашистские войска оборонялись упорно. Им помогала авиация, которая особенно активно действовала в полосе 61-й армии. Через час после начала наступления над полем боя стали появляться группы бомбардировщиков, пытавшиеся нанести удары по нашим войскам. Однако истребители 1-го гвардейского истребительного авиационного корпуса (командир генерал Е. М. Белецкий) были в полной готовности, дежуря в воздухе и на аэродромах. Своими атаками они расстраивали боевые порядки бомбардировщиков, сбивая их и не давая возможности прицельно бомбить наши войска.
Всего за 12 июля авиация трех воздушных армий совершила 2174 самолето-вылета, провела 72 воздушных боя и уничтожила 86 вражеских самолетов, потеряв своих 59. В этих боях отличились летчики-истребители А. П. Маресьев, Б. В. Панин, П. И. Муравьев, И. П. Витковский, А. Е. Боровых, впоследствии удостоенные звания Героя Советского Союза. Вместе с советскими авиаторами в воздушных боях активное участие принимали французские летчики-истребители эскадрильи "Нормандия".
За восемь дней операции войска Западного фронта продвинулись на 70 км, а 61-я армия Брянского фронта - на 20 км. Создались благоприятные условия для окружения болховской группировки.
Чтобы удержать Болхов и спасти от разгрома свою группировку, гитлеровское командование с 13 по 19 июля перебросило сюда с других участков фронта и тыла до десяти дивизий, в том числе шесть танковых и моторизованных. Вражеские войска нанесли мощные контрудары по войскам Западного и Брянского фронтов. Обстановка резко изменилась в пользу противника. Гитлеровцы, обеспечив себе перевес в силах, затормозили наше наступление.
В этих условиях требовался срочный ввод в сражение наших резервов. И советское командование с 16 по 25 июля последовательно ввело в сражение 25-й танковый корпус, 11-ю армию, 4-ю танковую армию и 2-й гвардейский кавалерийский корпус, выделенные из резерва Ставки. Для борьбы с врагом были переключены также почти все силы 1-й и 15-й воздушных армий.
Наша авиация наносила эффективные удары по контратакующим войскам. Только 25 июля летчики 1-й воздушной армии уничтожили около 25 танков, до 150 автомашин, 5 артиллерийских батарей и много пехоты противника.
Активно действовали наши авиаторы в интересах 4-й танковой армии - при вводе ее в сражение и действиях в глубине. Несмотря на сложные метеорологические условия, бомбардировщики и штурмовики наносили меткие удары по противотанковым средствам и войскам врага в полосе наступления танковых соединений, истребители непрерывным патрулированием прикрывали боевые порядки танкистов. При активной поддержке авиации танковые соединения быстро продвигались в направлении Хотынца, стремясь перерезать пути отхода гитлеровских войск с орловского плацдарма.
К 29 июля войска и авиация Западного и Брянского фронтов завершили разгром болховской группировки. Остатки разгромленных дивизий противника поспешно начали отступать на запад.
Наступлению 3-й и 63-й армий Брянского фронта, начавшемуся из района западнее Новосиля, предшествовала еще более мощная авиационная подготовка, чем на болховском направлении. В ночь на 12 июля авиация дальнего действия и бомбардировщики 15-й воздушной армии совершили более 600 самолето-вылетов и сбросили на обьекты врага в главной полосе обороны около 550 тонн бомб. А утром на противника обрушились штурмовики 3-го штурмового авиационного корпуса (командир корпуса генерал М. И. Горлаченко). Действуя большими группами самолетов, они уничтожили и подавили многие огневые средства и войска на участке прорыва. За пять минут до начала атаки войск 89 бомбардировщиков сбросили 500 фугасных и более 3 тыс. осколочных бомб на важнейшие узлы сопротивления и артиллерийские позиции врага.
Массированные действия бомбардировщиков и штурмовиков и артиллерии деморализовали противника, и первое время он не оказывал серьезного сопротивления. Советские войска с ходу овладели двумя траншеями обороны и начали успешно продвигаться вперед. Уцелевшие огневые точки и узлы сопротивления неприятеля уничтожались небольшими группами штурмовиков. Начальник штаба 3-й общевойсковой армии генерал М. В. Ивашечкин писал, что
"действия штурмовиков над полем боя дали возможность наземным войскам быстро продвинуться вперед и овладеть опорными пунктами и узлами вражеской обороны".
Гитлеровское командование спешно начало перебрасывать в район сражения свои резервы и дивизии с неатакованных участков фронта и с ходу вводить их в бой. Сюда же были перенацелены основные усилия немецкой авиации, которая группами по 40 - 50 самолетов стала наносить удары по боевым порядкам нашей пехоты, танкам и переправам на реке Зуша. Но истребители 1-го гвардейского истребительного авиационного корпуса были начеку, в 48 групповых воздушных боях они сбили 67 самолетов противника.
Развивая успех, наши пехотинцы и танкисты при поддержке авиации продолжали теснить противника и к 16 июля вышли на реку Олешня, на западном берегу которой гитлеровцы создали оборонительный рубеж. Чтобы ускорить прорыв обороны, командующий фронтом ввел в сражение 3-ю гвардейскую танковую армию. На ее поддержку и прикрытие генерал Н. Ф. Науменко выделил основные силы 15-й воздушной армии: 120 штурмовиков, 112 бомбардировщиков и 200 истребителей.
В 8 часов 19 июля по артиллерийским батареям, скоплению пехоты и танков врага 63 бомбардировщика нанесли удар на участке ввода в сражение танковых войск. Штурмовики тем временем подвергли воздействию объекты врага на флангах. Спустя три часа под прикрытием истребителей танковые корпуса стали вводиться в сражение. Гитлеровское командование направило против них авиацию, которая группами от 8 до 35 бомбардировщиков под прикрытием истребителей пыталась задержать наступление наших войск. Завязались ожесточенные воздушные бои, в которых истребители сбили 23 самолета противника и вынудили большую часть бомбардировщиков повернуть обратно. Командующий 3-й гвардейской танковой армией генерал П. С. Рыбалко объявил благодарность летчикам за их отличные действия.