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。
