为了有效地引导空中的飞机作战，苏军沿战线设置了无线电引导站，这些引导站距前沿２-３公里，站与站之间距离８-１０公里。苏军还选调了２５名预备队歼击航空兵的团长和旅长担任航空引导员，这批经验丰富的航空人员用无线电向飞行员通报空中情况，引导他们飞向目标，帮助他们拦截和消灭敌机。这些引导站在空战中给了苏军歼击机飞行员很大帮助。
在城市防御战的６７天里，苏联航空兵出动飞机４５３２５架次，投下炸弹１５４４０吨，进行空战１０００多次。在空战中和在机场上共计消灭德军飞机９２９架。这就为苏联地面部队能在斯大林格勒坚守下来提供了巨大的空中援助。
苏军进行的斯大林格勒防御战役，挫败了德军统帅部１９４２年夏季战局计划，并为苏军转入反攻创造了有利条件。
将敌人封闭在"大锅"中
在斯大林格勒防御交战过程中，苏军统帅部就已开始了实施强大反攻的准备。朱可夫元帅和总参谋长华西列夫斯基一起，奉命提出一个反攻计划。这个计划于９月中旬呈送给斯大林。计划设想，用两个月的时间在斯大林格勒附近的几条战线上集结兵力，然后从谢拉菲莫奇和克列次卡亚登陆场以及斯大林格勒以南的湖泊地域实施强大的钳形突击，粉碎敌人主要集团两翼上防守力量较弱的军队，尔后沿向心方向在卡拉奇会合，合围并消灭在斯大林格勒地域作战的德军主力。朱可夫认为时间对苏军有利，因为保卢斯的第６集团军和霍特的第４坦克集团军当时消耗大，物资已濒枯竭，而苏军却开始源源不断地得到新型装备。当然，胜利的关键还在于崔可夫的部队是否能够在斯大林格勒的地窖里坚守到反攻开始。结果是他们坚持下来了。
１９４２年１１月，苏军空军的战斗力和主动性都提高了，苏空军对德空军已经占有数量上的优势。到反攻开始前，苏军集中了１４１４架飞机，德军在该方向上只有１２１６架飞机。德军投入战场使用的新型飞机有改进型战斗机Ｍ－１０９、新型战斗机１９０，这些新型战斗机的战术性能略优于德以前生产的飞机。而苏空军也拥有了两种新型战斗机：拉－５和雅克－９。拉－５型战斗机的水平飞行速度大于德国战斗机，装有２０毫米航炮两门；雅克－９型战斗机的最大速度达每小时５８０公里，装有３７毫米航炮１门和１２．７毫米机枪两挺。
参加反攻的苏军航空兵部队进行了紧张的准备。然而，航空兵向斯大林格勒地域机场集中的时间比统帅部规定的时限延迟了。航空油料和弹药的积蓄都不够充足。诺维科夫将军向朱可夫报告说："航空兵尚未做好实施反攻的准备工作。油料储备只有两个基数，弹药也不足。加强的航空兵部队尚未集中完毕。"朱可夫向斯大林报告了上述情况。１１月１２日斯大林答复如下："假如航空火力准备不能令人满意的话，那么，战役将以失败而告终。同德寇作战的经验表明，只有在掌握空中优势的情况下，才能赢得对德作战的胜利。因为我航空兵必须遂行以下任务：第１，在我突击部队进攻的地域内，我航空兵必须集中作战，压制住德航空兵，并可靠地掩护我军；第２，为我进攻的部队打通道路，方法是不断地轰炸我当面的德军；第３，通过经常的轰炸和强击活动追击退却之敌，使其彻底溃乱，并制止其在最近的防区进行固守。如果诺维科夫认为我航空兵现在不能完成上述任务，那么，最好把战役的开始时间稍向后推迟和多集中一些航空兵。"从斯大林的这段话中就完全可以看出空军在反攻中的重要作用。
诺维科夫率领一个作战组在斯大林格勒地区对所有航空兵实施总指挥，并亲自留在战场观察他的下级作战，远程作战航空兵司令戈洛瓦诺夫将军也留在了斯大林格勒。所以，斯大林格勒会战的战场成为苏联后来许多高级军事领导人的发祥地，如罗科索夫斯基、崔可夫、叶廖缅科、莫斯卡连科和马利诺夫斯基等。诺维科夫几乎到过准备参战的部队的所有机场，同飞行员交谈，给指挥员作指示，具体解决了许多问题。他具有非凡的记忆力，几乎认识所有的航空兵师师长，熟悉他们的优缺点，还了解许多航空兵团团长和大队长。
在即将来临的反攻中，赋于苏军航空兵的任务是：掩护和支援突击集团，特别是坦克和机械化军；组织实施空中侦察；与德军航空兵作斗争，夺取制空权。
１１月１９日，斯大林格勒大反攻以排山倒海之势展开了。西南方面军部队第１天就突破了德军防御战术地幅，并推进了３０多公里，到战役第５天推进达１５０公里，解放了卡拉奇，占领了德军的几个机场。这就迫使德军把其航空兵紧急转移到后方机场，从而减少了其在苏军进攻地域内的行动。斯大林格勒方面军的部队１１月２０日开始反攻，４天之内顺利推进１１５公里，占领苏维埃城，并于１１月２３日在卡拉奇地区与西南方面军坦克军会合。至此，德军第６集团军的２２个师和坦克第４集团军部分兵力以及一些独立部队共３３万人，全部被包围在形似一口"大锅"的区域里。不久，在这个"大锅"周围便集结了１００万苏军部队。
在合围德军集团期间，尽管雾大云低，苏军航空兵仍积极出动飞机达１０００多架次。它们攻击敌坦克和骑兵，袭击战场上敌军有生力量和技术装备，袭击道路上的敌军旗车纵队和机场，支援地面部队且战且进。苏联飞行员在复杂气象条件下遂行战斗任务，表现勇敢，技术高超。１１月２１日，苏联英雄戈卢别夫大尉带领６个伊尔－２机组起飞去突击"十月胜利"国营农场机场。在快要接近目标时，他们遭到密集高射炮火力的射击。飞行员们毫无惧色，先全力压制住敌人的防空兵器，随即开始对机场发起攻击，击毁８架敌机。在返航途中，又遭到敌战斗机的攻击，苏联强击机飞行员勇敢迎战，击落敌两架Ｍ－１０９飞机，自己没有损失，全部返场着陆。
从１１月２４日期，天气开始好转，苏军航空兵平均每天出动８００架次，掩护已发起进攻的快速兵团，消灭敌军地面部队和技术兵器，进行空中侦察，突击敌机场以及为第６２集团军的部队运送物资。
由于德军航空兵在苏军神速推进面前被迫转移到后方机场，加之所受损失严重，从１１月１９日至３０日，平均每昼夜只出动飞机１１５架次。而苏军航空兵仅在１１月２４日至３０日就出动飞机约６０００架次，对将德军主要集团封闭在"大锅"中起了巨大作用。
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。