苏军统帅部鉴于南方战线的严重局面和斯大林格勒的战略地位，认为坚守斯大林格勒对于整个苏德战场有着决定性的意义。守住斯大林格勒不仅可以改善南方的战役态势，保持苏联中部与南部的联系，而且能够打破和阻止希特勒向北进攻莫斯科的企图，因而决心在该地区组织坚固防御，阻止德军的进攻。
就空中作战而言，苏军在莫斯科会战胜利后，及时总结了空战的经验教训，并针对苏军航空兵从总体上仍处于劣势的情况，对航空兵的作战使用及任务作了适当调整。苏军统帅部在1942年6月29日的命令中指出：
方面军航空兵的首要任务是夺取制空权，为我方创造压倒敌人的优势，迫使敌航空兵，尤其是轰炸机离开战场；第二项任务是集中强击航空兵和轰炸航空兵的全部力量，用于攻击敌坦克和摩托化纵队，消灭敌有生力量，以此支援我军部队；第三项任务是，歼击航空兵不仅要掩护我部队，而且在可能的条件下对敌有生力量实施打击。
由于苏军与德军在斯大林格勒会战中展开了殊死搏斗，斯大林格勒附近的空中作战也因此特别激烈。德军在这里集结了战斗力最强的第4航空队，它拥有1200架飞机和经验丰富的飞行员。苏军在斯大林格勒方向的空中力量主要是空军第8集团军，该集团军到会战开始共有454架飞机，其中包括74架夜航轰炸机。此外，这里还有远程航空兵的200架轰炸机及国土防空军的60架歼击机。苏军航空兵集群在该方向上总共拥有714架飞机，在数量上显然处于不小的劣势，而且其中有近200架是过时的旧式飞机。可见，会战初平空中斗争形势对苏军极为不利。
两河之间的空中肉搏
1942年7月，天气酷热而干燥，斯大林格勒仍处于和平的生活中，企业和机关都在工作，市内所有的电影院都开放，儿童在公园和街心花园里玩耍，扩音器里播送着音乐，并隔一定时间播送一次前线战报。然而，斯大林格勒的居民没有一个人不认为可怕的威胁已经笼罩着城市，而且不久就将与法西斯德军在这里展开激烈的交战。
苏军于7月12日组建了斯大林格勒方面军，由铁木辛哥元帅任司令员，下辖第21、28、38、57、62、63、64等7个诸兵种合成集团军和空军第8集团军。德军在斯大林格勒方向作战的是B集团军群，共有71个师，担任直接进攻的部队是保卢斯指挥的第6集团军。第4航空队负责空中支援。
7月17日，随着德军大规模进攻的开始，德国空军出动大批轰炸机，对战场上的苏军地面部队实施密集突击。苏军航空兵不顾数量上的劣势，顽强地抗击德军，在顿河到伏尔加河之间同德军展开了激烈的空战，甚至出现了空中肉搏。在这些日子里，双方每天进行60…70次空战，每次空战双方都出动50…60架飞机。
在头6天的战斗中，苏空军第8集团军支援了第62和第64集团军在奇尔河和齐姆拉河进行苦战的先遣支队。航空兵基本兵力主要用于消灭德军突击集团。轰炸机和强击机对公路上的德军坦克、汽车纵队以及德军的铁路车站和机场，进行了10多次编队突击。远程航空兵还突击了德军集结地域、预备队和顿河、奇尔河上的德军渡口。
7月23日，德军以两个强大集团对卡拉奇实施向心突击，前出至卡缅斯克地区内的顿河河岸，包围了苏军第62集团军的部分军队，企图取近路向伏尔加河突破。苏空军第8集团军集中全力支援坦克第1、第4集团军，对突破防线的德军进行反突击。由于苏军航空兵的打击，德军遭到重大损失，第62集团军部队也突出了包围。
苏军的轰炸机和强击机通常以4…6机编队活动，由2…4架歼击机护航。有时对敌军和技术装备集结地也以较大的兵力进行突击。7月31日，苏军对卡拉奇地区的德军和渡口突击了4次，参加突击的飞机共有160多架，击毁击伤敌坦克30多辆、汽车150多辆、满载弹药的马车50辆和一些火炮。除了白天行动之外，轰炸机还进行了夜间突击。德军在苏军航空兵连续不断地空中打击下，不得不减慢了推进速度。
在那些艰苦日子里，苏军歼击航空兵第434团的飞行员在克列谢夫少校的指挥下，打得格外出色。他们在战斗的前18天里进行了144次空战，共击落敌机36架。克列谢夫少校是歼击航空兵战术的革新者，他很重视研究敌人的战术，寻求空中作战的新方法，不断提高自己的战斗技能。他每次升空都希望能找到敌人，打一次积极的进攻战。他认为攻击的突然性是胜利的保证。他以此教育自己的部下。经他培养的受勋英雄多达数十名。中尉库库什金和中士斯米尔诺夫就是其中的两人。他们有一次完成战斗任务后，在返场途中遇上了有12架战斗机护航的9架德国轰炸机。他们不畏敌众己寡，坚决投入了力量悬殊的战斗，凭着勇敢精神和熟练的技术，击落了5架敌机，将敌机群冲散，粉碎了敌人突击的企图。而中队长库库什金却英勇牺牲了。
德军旗图从西线向伏尔加河突破遭到挫折后，变更了军队部署，把坦克第4集团军从高加索方向调来，从西南方向发起进攻。8月初，这个集团军在航空兵的配合下即前出到科捷利尼科沃地区，造成了对苏军第62和第64两个集团军翼侧和后方的威胁。为了抗击突入的德军集团，苏空军第8集团军每天出动飞机达600架次，在战场上空与德军飞机展开了激烈的空战。对敌机场实施突击也是消灭敌航空兵的有效办法。仅8月9日一天，8架伊尔…2飞机对德军停有90架飞机的奥勃里夫斯卡亚机场实施的突击就击毁敌机达40架。
由于斯大林格勒方面军战线太长，不便指挥，苏军统帅部于8月5日将其部队改编为斯大林格勒方面军与东南方面军。空军第8集团军编入东南方面军，为斯大林格勒方面军组建了空军第16集团军。
在那连续作战的艰难日子里，苏军歼击机飞行员对胜利表现出了坚定的信念。8月6日，歼击航空兵第183团中队长巴拉诺夫上尉率4架雅克…1飞机在顿河渡口上空巡逻，同敌人的25架歼击机遭遇，巴拉诺夫立即指挥展开勇猛攻击。第一次攻击就准确地击落敌机1架，接着又对跟进的敌轰炸机发起攻击，击伤其中1架，并迫使其降落在苏军驻地。这时，德军战斗机正在攻击苏军强击机，巴拉诺夫闻讯立即赶来支援，在击落敌1架M…109飞机后，他的弹药消耗殆尽，但他并没有撤出战斗，而是驾机向敌机冲去，以机翼撞击敌机尾翼，自己跳伞离机。就这样，这位英勇的飞行员在几分钟内就击落敌机4架。
8月23日，德军利用优势兵力，以巨大伤亡为代价突破苏军防线，前出至拉托什卡&；#183；雷诺克地区内的伏尔加河。德军约400架飞机当日下午对斯大林格勒实施了猛烈的密集突击。虽然苏军高射炮火猛烈射击德机第1梯队，但是德机并没有改变航向，空中强烈的响声越来越接近市区。当第1梯队德机投下弹和燃烧弹后，市内开始出现大火。夜幕降临前，德航空兵对斯大林格勒出动了近2000架次，上百座建筑物被破坏，无数手无寸铁的妇女、儿童、在医院治疗的负伤军人被炸死。这是对有成千上万和平居民的城市的野蛮破坏。苏军歼击机抗击了空袭，在城市上空进行了25次空战，击落了90架法西斯飞机。
在激烈的交战过程中，苏联飞行员时常采用德国飞行员所不敢采用的空战方法……快速迎头攻击或撞击。在空战紧要关头，如用品他方法不能击落敌机时，苏军即采用空中撞击。1942年9月8日，歼击航空兵第520团的1个歼击机编队在掩护地面部队时与10架德国轰炸机遭遇。首次出战的年轻飞行员戈莫尔科上士，大胆地闯入德机队形，一举击落1架轰炸机。后来他在攻击中弹药耗尽，自身负伤，便毅然决定进行空中撞击。他用自己飞机的螺旋桨砍断敌另1架轰炸机的尾翼，尔后跳伞离开了失去操纵的飞机。他在伞降过程中就做好了同跳伞的德国飞行员进行战斗的准备。落地后，他当场击毙1个企图抵抗的德国飞行员，俘虏了其余两个。
苏军另一名年轻飞行员拉夫里年科夫准尉有一天在伏尔加河上空巡逻时，发现两个敌轰炸机群，他毅然决定单机攻击它们。攻击前，一名显然是兄弟团掉队的飞行员在向他靠拢。我们攻击！拉夫里年科夫用无线电喊了一声。那名素不相识的飞行员用一阵炮火射中了1架敌机，而拉夫里年科夫则以机枪的一次短连射击落了敌带队的轰炸机。两架法西斯飞机即刻着火。在第2次攻击时，拉夫里年科夫又击中了敌1架轰炸机。就在这时，4架德国战斗机向他们飞来，拉夫里年科夫和那个他始终不知姓名的拉…5飞机飞行员，奋不顾身地投入了迎头攻击。德国飞行员被这勇敢的动作吓破了胆，不敢应战，转身逃跑了。
歼击航空兵第291团政委比诺夫在一次空战中击落敌战斗机1架，接着又以自己飞机的机翼撞下第2架战机，尔后自己安全降落。该团中尉皮亚托夫在一次空战中曾两次撞击1架敌机，敌机在受到第2次撞击后，凌空爆炸，而皮亚托夫却安全返场降落。苏联飞行员在战斗中都表现出了高超的飞行技能和战斗素养。
对老鼠战的空中援助
到9月中旬，德军已进抵斯大林格勒城的外围防线，在第62和第64集团军的接合部突破了防御， 占领了许多重要高地并前出到距市中心3…4公里的地方。苏军统帅部给斯大林格勒方面军和东南方面军下达了下述任务：坚守城市防线，从南北两面实施反突击以削弱敌人，守住顿河右岸的登陆场并积蓄力量准备随后转入反攻。
市区防守部队是62集团军，由崔可夫中将任司令员，兵力约4万多人。德军攻城兵力共13个师约17万人，是苏军的4倍。德军占领了有利的出发阵地，调集了预备队之后，9月13日便开始攻城。从9月中旬到11月中旬，苏军和德军就在这被炸成的瓦砾堆里进