Существенным недостатком авиационной составляющей наступления, помимо малочисленности авиационного парка, являлась большая удаленность основных аэродромов базирования Южной группы — Рудаево, Титарево, свх. Красный Октябрь (Воронежская область) — от района боевых действий 3-й танковой армии. Это существенно снижало эффективность действий авиации, особенно по прикрытию своих войск. Постройка оперативных аэродромов, приближенных к зоне боев, велась медленно и серьезно затруднялась погодными условиями (сильные снегопады), недостатком строительной и снегоуборочной техники. Существенную помощь при их постройке и расчистке снега оказывало население только что освобожденных районов.
В то же время противник сосредоточил на направлении наступления 3-й танковой армии мощную авиационную группировку (1-й и 4-й воздушные корпуса), опиравшуюся на сеть аэродромов Харьковского, Полтавского и Сталинского (Донецкого) аэроузлов. Она превосходила советскую количественно (в соотношении примерно 1,5 к 1 в начале операции) и качественно — по ударным возможностям, дальности действия и тактико-техническим характеристикам. В ходе ведения операции противник наращивал численность этой группировки, вел активную воздушную разведку, опираясь на данные которой, наносил бомбоштурмовые удары по наступающим советским войскам. Особенно ощутимыми были действия самолетов противника по путям снабжения армии Рыбалко.
Имели место со стороны противника случаи достаточно эффективного использования самолетов для организации связи и снабжения отдельных частей и подразделений, управления с воздуха перемещениями войск и развертыванием боевых порядков.
В целом в ходе операции советские ВВС не смогли обеспечить господство в воздухе в полосе наступления 3-й танковой армии. Достаточно результативны были действия ночных бомбардировщиков 2-й ВА. Длинные февральские ночи способствовали совершению большого числа вылетов в сутки, а новые тактические приемы (например, сочетание вылетов на бомбежку с оригинальной методикой разведывательных действий) позволили добиться высокой эффективности использования устаревшей матчасти (По-2, Р-5). Противник не смог противопоставить действиям ночников ничего, кроме заградительного огня зенитной артиллерии. Очень существенной была роль ночных бомбардировщиков в организации связи с вырвавшимися вперед наступающими группировками. Особенно ценными оказались действия ночников по снабжению горючим и боеприпасами 6-го гвардейского кавалерийского корпуса во время его рейда, нацеленного на глубокий обход Харькова с юго-запада.
План противовоздушной обороны армии истребительной авиацией в ходе подготовки и начала наступления был разработан штабом фронта совместно со штабом 2-й ВА. Однако ввиду малого числа боеготовых истребителей — около 50 самолетов в составе всей 2-й ВА на более чем 200 км фронта — основная тяжесть борьбы с авиацией противника ложилась на наземные средства ПВО.
В состав 3-й танковой армии входили 71-й, 319-й и 470-й полки ПВО (29 37-мм зенитных орудий к началу наступления). Кроме того, зенитные подразделения в виде отдельных дивизионов, батарей и взводов имелись в других частях и соединениях армии. Всего к началу наступления в армии было около 50 37-мм зенитных орудий и около 90 крупнокалиберных зенитных пулеметов.
Все указанные части ПВО длительное время входили в состав армии, прошли вместе с ней период подготовки и достаточно хорошо отработали взаимодействие как с танковыми, так и со стрелковыми частями и подразделениями. Но такого количества зенитных средств явно было недостаточно для прикрытия не только боевых группировок, но и очень растянутых путей подвоза.
В ходе подготовки Острогожско-Россошанской операции армейские полки ПВО были приданы танковым и кавалерийскому корпусам и двигались в их боевых порядках. Такое положение сохранилось и в ходе Харьковской операции, поскольку позволяло максимально эффективно прикрыть эти мобильные ударные группировки.
В условиях господства вражеской авиации в воздухе, в условиях постоянного наращивания ее численности и активности действий, части ПВО 3-й танковой армии с большим трудом справлялись с задачей прикрытия своих войск. Ситуацию усугубляли недопоставки фронтом зенитных боеприпасов по заявкам штаба армии и дефицит горючего. В результате ВВС противника порой действовали над полем боя практически беспрепятственно. Характерны неоднократные прицельные бомбежки штаба армии и армейского узла связи.