粉碎希特勒解围企图
希特勒为了解救被围德军，于11月25日授命曼施坦因组建顿河集团军群。该集群包括顿河中游至阿斯特拉罕以南的全部德军，并从西欧、非洲以及苏德战场其他地段抽调了4个坦克师、6个步兵师，在科捷尔尼科沃和托尔莫辛地域建立了两个突出集团，企图从西南方向突破合围的对外正面。
苏军统帅部决心先歼灭德军支援部队，命令斯大林格勒方面军歼灭科捷尔尼科沃集团，西南方面军歼灭托尔莫辛集团，顿河方面军继续压缩被围德军。
12月12日，德军一支强大的坦克集团从科捷尔尼科沃地区发起进攻，19日即推进到梅什科瓦河，离合围地域只有40多公里，在该地段遇到斯大林格勒方面军部队的顽强抵抗。这时，被围德军集团的行动也活跃起来，在卡尔波夫卡地区集中了大量坦克和步兵，企图发动进攻与增援的坦克集团相会合。此时，苏军空军第8和第16集团军的航空兵对被围德军实施接连不断的突击，以粉碎敌突破合围正面的企图。12月18日晨，在阿克萨伊河地区战斗最紧张的时刻，空军第16集团军出动100多架飞机对集结在卡尔波夫卡地区的德军实施了猛烈突击。德军损失惨重，不得不放弃继续突围会合的计划。
空军第8集团军航空兵在粉碎科捷尔尼科沃集团时还积极地支援了地面部队。在敌人进攻的头几天，苏军飞行员在从科捷尔尼科沃地域到梅什科瓦河一线的激烈防御战斗中有力地援助了陆军，打得德军坦克集团一蹶不振。从12月20日至23日，空军第8集团军为了歼灭敌坦克和步兵出动飞机758架次，然后又积极支援了陆军的进攻作战。到12月24日，德军科捷尔尼科沃集团被迫转入防御，继而开始撤退。当斯大林格勒方面军的部队开始向南推进时，空军第8集团军则集中主要兵力对付退却之敌，从12月24日至29日共出动飞机1358架次。在此期间，空军第8集团军的部分兵力和空军第16集团军以及远程航空兵对被围集团还进行了有效的突击，这在很大程度上协助了地面部队粉碎德军突破合围对内正面的企图。
西南方面军部队于12月16日转入进攻。为了支援地面部队，从空军第2和第17集团军抽调了455架飞机。德军在这个地区也有近450架飞机。由于天气恶劣，在战役的头几个小时，航空兵未能参加支援，地面部队作战在德军的抵抗下进展缓慢。中午天气转好，第2和第17集团军立即出动飞机200多架次，到进攻地带支援作战，轰炸和突击了德军抵抗枢纽部和集结的部队。战役的头几天，苏联空军还对塔钦斯卡亚、英罗佐夫斯基、斯塔罗别尔斯克和伏罗希洛夫格勒的德军机场实施了突击，击毁敌机65架。就在这时，苏军又调来新建混成航空兵第3军编入空军第17集团军，航空兵力量对比苏军占了优势。苏军地面部队的推进也加快了。到12月18日，步兵兵团与坦克军和机械化军配合作战，在航空兵的支援下全部突破了德军托尔莫辛集团的战术防御地域，并开始追击德军。近卫第3集团军司令员列柳申科将军高度评价了空军第17集团军的行动， 他说：“1942年12月16日至18日，空军第17集团军的飞行员们打得非常出色。”
