К исходу 22 июля, когда наземные войска противника вышли к переднему краю главной полосы обороны Сталинградского фронта, глубина зоны ПВО уменьшилась в два раза и составляла не более 120 км. В ходе дальнейшего продвижения немецких войск к Сталинграду боевые условия для войск Сталинградского района ПВО становились все более сложными. Противник, перебазировав значительную часть самолетов на передовые аэродромы, стал производить на город несколько налетов в сутки, использовать истребительную авиацию для сопровождения бомбардировщиков и блокирования наших аэродромов. В то же время глубина системы ВНОС на подступах к Сталинграду с запада уменьшилась (до 50 км и менее), а при подходе врага к его окраинам посты ВНОС пришлось размещать непосредственно в городе на крышах высоких зданий. Истребительные авиационные полки передислоцировались на аэродромы на восточном берегу Волги. В связи с этим радиолокационные станции были развернуты вблизи командных пунктов истребительных авиаполков и появилась возможность использовать их для наведения истребителей, что в свою очередь повысило эффективность боевых действий.
В указанный период особое значение имела надежная защита от ударов с воздуха волжского речного пути и железнодорожных коммуникаций, идущих к Сталинграду и районам сосредоточения стратегических резервов. На пристанях и различных плавсредствах (пароходах, буксирах, баржах и пр.) было установлено свыше 300 зенитных орудий и пулеметов. Для руководства зенитными частями и подразделениями была создана Волжская оперативная группа ПВО. Железнодорожные коммуникации на юго-западном направлении от ударов вражеской авиации прикрывали войска Сталинградского, Астраханского, Воронежско-Борисоглебского, Саратовско-Балашовского и Пензенского районов ПВО. Для этого из их состава кроме всего прочего выделялись и 70 самолетов-истребителей.
Всего с июля по декабрь 1942 года части Сталинградского корпусного района ПВО и 102-й ИАД уничтожили 699 самолетов, 173 танка, подавили около 50 артиллерийских и минометных батарей.
В оборонительный период битвы фронтовая авиация, авиация дальнего действия и истребительная авиация ПВО страны совершили 77 тысяч самолето-вылетов. При этом в воздушных боях и на аэродромах уничтожено свыше 1400 боевых и транспортных самолетов врага, созданы условия для завоевания господства в воздухе.
К началу контрнаступления под Сталинградом в составе группировки советских ВВС находились 17-я ВА (командующий генерал-майор авиации С.А. Красовский) Юго-Западного фронта, 16-я ВА Донского фронта и 8-я ВА Сталинградского фронта. Для усиления воздушных армий трех фронтов решением Ставки ВГК из резерва в их состав было направлено два смешанных авиационных корпуса и семь отдельных авиационных дивизий. Кроме того, в интересах Юго-Западного фронта привлекалась часть сил 2-й ВА (командующий генерал-майор авиации К.Н. Смирнов) Воронежского фронта, авиация дальнего действия, а также 102-я ИАД войск ПВО страны. Общее руководство всеми авиационными соединениями и объединениями осуществлял представитель Ставки ВГК по авиации — командующий ВВС Красной Армии генерал-полковник авиации А.А. Новиков.
В отличие от операций первого периода Великой Отечественной войны авиация в ходе контрнаступления применялась массированно. Это достигалось сосредоточением усилий воздушных армий и авиации дальнего действия главным образом в полосах наступления ударных группировок фронтов и для решения важнейших задач на наиболее ответственных этапах операций. Под Сталинградом зародилась новая форма оперативного применения авиации — авиационное наступление. Был получен богатый опыт организации взаимодействия с подвижными группами общевойсковых объединений. Например, 13-й танковый корпус и 4-й механизированный корпус Сталинградского фронта поддерживали по одному штурмовому и одному истребительному авиационному полку. В подвижные соединения от взаимодействующих с ними авиационных соединений выделялись оперативные группы со средствами связи. В конце ноября перед авиацией была поставлена задача по созданию блокады воздушной окруженной группировки противника под Сталинградом. С целью завоевания и удержания господства в воздухе резко возросло количество самолето-вылетов для действий по аэродромам противника (с 3% в период обороны до 14% в ходе контрнаступления). На земле было уничтожено и повреждено свыше 790 вражеских самолетов. Новым в организации управления авиационными соединениями в масштабе воздушной армии было создание вспомогательных пунктов управления на направлениях главных ударов фронтов. Широкое развитие получило управление боевыми действиями истребителей по радио со специально создаваемых пунктов управления.