德军虽因道路泥泞（从10月月中到11月月中）而行动一度受阻，但当天气转晴，地面封冻，足以保障飞机、坦克和轮式车辆活动时，他们又开始运动了。德国人逼近莫斯科时出人意料地陷入尴尬的境地。原来在夏末秋初期间，斯大林曾从远东军区、外贝加尔地区、外蒙古和中亚向莫斯科调集了那练有素的部队和飞机等装备。加强莫斯科防御的装备当中有飞机一千多架。
道路泥泞的情况曾因天气转冷而结束，但到了11月末、12月初寒冷的程度加剧，飞机冻结，使德国空军陷入半瘫痪状态，但苏联空军人员的日子却好过得多，因为他们懂得冷天应该如何维护和使用飞机。据官方材料记载，他们在为期两个月的莫斯科保卫战期间总共出动了5万1千3百架次，其中百分之八十六是遂行近距支援任务，而“敌人在莫斯科地区则损失了大约1，400架飞机。”不管这些数目字的可靠程度如何，但这些材料的作者们还是正确地指出这样一个事实，苏联空军的活动之所以能够有所增加，乃是因为在莫斯科地区有良好的机场可供使用，机场上又有可靠的技术保障勤务，以及还有莫斯科的国土防空军的截击机为之提供掩护。此外，在莫斯科保卫战期间，前线航空兵、远程轰炸航空兵和国土防空军的战斗机航空兵首次接受红军空军司令员的统一指挥，这样不但有助于节约兵力，而且也发挥了较高程度的灵活性。
11月30日，斯大林批准朱可夫和总参谋部实施反击。参加莫斯科保卫战的三个方面军都参加了这次反击作战。这次反击于12月5日开始，用了三周时间，把德国人从莫斯科打退。
苏联空中力量在这次反击作战中是关键性的部队，因为前线航空兵、莫斯科防空部队、最高统帅部预备队和远程航空兵所属部队均支援了地面军队的作战活动。（顺便提一下，用朱可夫的话来说，把一支“轰炸和扫射他们（德军）的行进中的步兵集团、坦克和卡车纵队”的空军部队称为“远程航空兵”看来是有些用词不当。）苏军1941年12月的反击，使德国空军自从1939年9月以来第一次处于防御地位，而苏联空军到了12月份甚至在某些地方获得了局部空中优势。此外，到了1941年年末有相当多的新飞机开始从东方各个工厂抵达各个方面军。
苏联国防委员会在德军开始进攻后不久便清楚地认识到，敌人有可能占领俄罗斯很大一部分高度工业化的地区，因此决定将尽可能多的工厂从乌克兰和俄罗斯迁到伏尔加河以东。其中有许多迁住中亚、乌拉尔和西伯利亚西部等一些德国空军航程较短的轰炸机飞不到的地方。这一措施在德国没有远程轰炸机期间是具有极其重要作用的。据苏联官方材料，至12月底他们已经搬迁了1，360座大型工厂和一千万人，物资和人员的总重量达一百五十万吨。
大部分飞机工厂的东迁导致了1941年下半年和1942年头三个月产量的锐减（1月份l，039架， 2月份915架，3月份1，647架）。然而，后来产量即迅速上升，1942年超过2万5千架，1943年3万5千架，1944年4万架，1945年上半年为2万零9百架。加上1941年生产的1万5千7百35架，苏联在伟大卫国战争期间共生产各型飞机约十三万七千架。其中半数为单发战斗机，将近三分之一（约四万架）为Иа一2强击机。
苏联空军在1941年的历次战斗活动中在组织结构方面暴露了不少严重缺点，其中主要的是不能集中空军兵力进行大兵团作战。他们分散使用空中力量，其部分原因是方法不当，空中力量被分给了各个方面军司令员、集团军司令员和最高统帅部。1942年4月诺维科夫接替日加列夫任空军总司令，开始改组空军，建立“空军集团军。”第1空军集团军建于1942年5月5日。该集团军辖有两个战斗机师、两个混编师、一个У一2型飞机夜间轰炸机团、一个侦察机大队、一个通信联络机大队。最后，他们把前线航空兵与陆军航空兵编成了十七个空军集团军，每个集团军的规模是根据战区的重要程度和飞机数量确定的。1042至1943年期间，每个空军集团军平均约有飞机900至1，ooo架，1944至1945年期间大约有1，500架左右；在某些战役中，有几个空军集团军拥有飞机2，500至3，000架。此外，原来老的混编师（混编有战斗机、强击机，有时还编有战术轰炸机），改编为单一机种师。建立空军集团军，使苏联空军在机动能力、集中兵力的能力以及集中指挥等方面，向前迈了一大步。另外，诺维科夫将军还致力于组建大本营预备队（一支能够迅速从某一战线或战区调往另一战线或战区的队伍）的工作。。
为了挽回红军1941年可耻的败退造成的不利影响和因莫斯科保卫战获得胜利而求胜心切的斯大林，迫使他的将军们于1942年年初发动了一系列鲁莽的进攻。结果，苏军在克里米亚和哈尔科夫等地严重受挫，不得不再次转入防御。
苏军在哈尔科夫的惨败使希特勒再次欣喜若狂，因此他提出了一份野心过大的1942年的作战计划。德军1942年的作战重点是通过顿河的弯曲部、沿伏尔加河越过库班进行大规模强攻，直取格罗兹尼和巴库石油区。到了8月23日，德军坦克已开抵斯大林格勒以北的伏尔加河。接着，德国空军便将该城炸成一片瓦砾。从9月中旬至11月中旬，红军和德军就在这座位于伏尔加河右岸，绵亘长达30英里（48公里）的被毁城市里进行激烈的肉搏战。这场逐屋争夺的巷战主要是由崔可夫将军的第62集团军进行的。德国人把这场在瓦砾堆里进行的战争称之为“老鼠的战争”。
苏联空军在斯大林格勒防御战中的主要任务是近距空中支援察、和超近距离的轰炸。正如苏联官方历史撰写人所说：
“与步兵和炮兵协同作战的强击机和战斗机突击前沿的敌人，前线航空兵的飞机和远程轰炸机则突击距前沿2至5公里的预备队、炮兵和部队”。
苏联空军总司令A·A·诺维科夫将军亲自留在斯大林格勒战场观察他的下级作战，远程作战航空兵司令A·E·戈洛瓦诺夫将军也是如此。诺维科夫作为最高统帅部大本营的代表驻斯大林格勒协同空军的作战，在战斗进行期间，他参加了由朱可夫主持准备的反攻计划的制定工作。空军的重要作用从下面这段关于反攻计划是如何制定的叙述当中可以看出。当诺维科夫报告说空军尚未作好准备时，朱可夫向大本营作了报告。朱可夫于11月12日收到大本营的回电，通知他说，把行动推迟到空军完成空中支援的准备时为宜。正如大本营所说：“战争经验表明，对德军的战斗活动只有在具备空中优势的条件下才能取得胜利。”
苏军的进攻作战一从斯大林格勒到柏林
1942年11月19日开始的斯大林格勒大反攻标志着苏联伟大卫国战争第一阶段的结束。④此时，苏联空军已经在数量上占有优势，在某些场合甚至拥有空中优势。战争第一阶段结束时，苏联空军已拥有两种新型战斗机——Аа一5和Як一9。Аа一5是Vагг一3的改进型，1942年7月投入批量生产，故而在9月能在斯大林格勒参加战斗活动。第287战斗机师装备的是Аa一5型战斗机，据苏联人说这种飞机的水平飞行速度大于德国战斗机。Як一9是Як一的改进型，也在斯大林格勒上空参加了战斗。这种飞机的最大速度达到每小时约360英里（580公里）装备有37毫米航炮I门，12．7毫米机枪2挺。此外，各战斗机团的实力从原来的二十二架飞机增如到三十二架。在1941年和1942年大部分时间内获得的经验表明，由两个双机组组成的四机中队是最理想的基本战斗单位。新式飞机相对来说增多了、组织改进了（特别是创建了空军集团军并加强了最高统帅部预备队）、战术更精湛了（一部分是通过研究敌人战术取得的），所有这一切都说明苏联空军在争夺空中优势方面向前迈进了一大步。
11月19日斯大林格勒大反攻以排山倒海之势展开了。11月23日，冯·保卢斯的第6集团军（约25万人）便被包围在形似一口“大锅”的区域里。这个“大祸”形地域的面积与美国康涅狄格州大小相近。
包围圈一旦封口之后，对于冯·保卢斯来说，合理的作法似乎应该是趁部队还有战斗力的时机实施突围。然而，希特勒这位元首已经失去了理智，并且开始捞救命稻草了。他相信了戈林关于德国空军能够供应第6集团军的诺言，因而决定令第6集团军面对斯大林格勒就地构筑环形筑垒阵地进行死守，等待1943年发动的进攻来解救他们。
德国空军第4航空队司令冯·里希特霍芬上将虽然声称这一计划“简直是发疯”，但还是坚决地付诸实施。这支航空队在塔津斯卡亚（或称“塔济”）驻有大约320架Ju一52和Ju一86型运输机， 在莫罗索夫斯卡亚（或称“莫罗”）驻有大约190架He一111型轰炸机。象步履蹒跚的“善良的老大妈”一样的Ju一52长期以来一直在德国空军里面承担着沉重的运输任务。这是一种三发单翼机，巡航速度每小时为150英里（241公里），因载荷燃油比的不同，其航程为250英里（402公里）至800英里（1，287公里）。Ju一86的载荷量甚至更小一些。由于从驻地“塔济”到“大锅”地域内的皮托姆尼克机场之间的距离有140英里（225公里），无论哪一种运输机（Ju一52或Ju一86），均不能靠少载燃油的办法而多运物资。He一111是一种双发轰炸机，巡航速度每小时为225英里（325公里），载重两吨时的航程为760英里（1，223公里）。
德国人的空中补给活动从一开始就不仅苦于缺乏合适的运输机，而且苦于天气恶劣，飞机甚至一连几天被迫停在地面无法飞行。戈林虽然许诺每天空运600吨，但是成绩最好的12月19日至21日的三天内也一共只空运了700吨。此后不久俄国人攻占了“塔济”和“莫罗”两处的机场，因而德国运输机不得不往返于彼此相距200英里（320公里）的皮托姆尼克和新基地之间。在整个空运作业期间，苏联空军一直使动作迟缓的德国运输机处于悲惨的境地，迫使他们不得不四、五十架一起编队飞行，并由战斗机护航。这样一来，便使小得可怜的皮托姆尼克机场在装卸方面大成问题。苏联空军甚至派遣强击机编队攻击德军机场，把运输机消灭在地面。1943年1月9日苏联空军袭击萨利斯克机场就是这样一次突击，这次曾消灭七十二架飞机。
红军于1月16日攻占了皮托姆尼克，1月21日攻占了位于古姆拉克的辅助机场。保卢斯第6集团军的残部于1月底被俘。在从1942年11月24日到1943年1月31日的两个月略多一些的时间里，德国空军为实施空运，就总共损失了490架运输机，其中有266架Ju一52、165架He一111、42架Ju一86、9架FW一200、7架He—177和1架Ju一290。更为糟糕的是，德国空军作为一支所向无敌的武装集团的形象，终于无可挽回地破灭了。
苏联宣布的战果要大得多。他们说，德国空军在截至1942年11月23日为止的斯大林格勒保卫战中损失飞机2，100架，从1942年11月19日至1943年2月又损失3，ooo架以上。如果读者相信苏联材料，那么德军从1941年6月22日至1942年6月20日总共损失飞机14，700架。不用说，德国人公布的数字就大不相同了。根据德国材料，从1941年6月22日至1942年4月8日，他们总共损失飞机2，951架，损坏1，997架。 。
尽管双方公布的数字悬殊，但无可怀疑的是，到1943年2月的时候，苏联空军力量已超过了德国空军。空军集团军的数目有了增加。大本营预备队中有十个空军军，空军的—7切活动是协调纳一空军司令诺维科夫将军作为大本营的代表，统一协调前线航空兵、远程作战航空兵和国土防空战斗机部队的一切活动。1941至1942年间，苏联航空工业向苏联空军提供飞机33，857架，而德国航空工业，包括其卫星国家在内，只生产了20，857架飞机。
斯大林格勒之役不仅是整个伟大卫国战争的转折点，也是苏德两国空军之间势力消长的分水岭。在顿河和伏尔加河遭到灾难性的失败之后，整个德国战争机器在东方便转入防御。虽然德军后来也进行过几次反击，但与1941和1942年的闪击式包围战相比，却显得十分无力。情况虽然如此，但这决不是说德国人已经到了山穷水尽的地步。苏军在斯大林格勒战役之后实施的几次进攻把后勤供应远远地抛在后面，结果导致红军部队不仅陷入分散状态，而且沦于疲惫不堪的境地。德军司令冯·曼施泰因利用这一现成的良机（因为希特勒一度给他相对的自主权）使发动了几次反攻，把俄国人打得懵头转向，并再次占领了哈尔科夫。然而，冯·曼施泰因的反突击，是德国人最后一次机动自如地把装甲部队和空中力量用于大纵深突破和包围，因为在1943年夏季的库尔斯克战役中德军就把主动权和大部分飞机、坦克丧失掉了。
库尔斯克突出部，是哈尔科夫以北和奥廖尔以南苏军战线上的一个突出部，它是德军1943年夏季攻势作战中的一个很诱人的目标。俄国人通过其情报部门了解了德国的作战计划，因此他们往库尔斯克突出部调集了大量的大炮和坦克。大本营派朱可夫和华西列夫斯基去协调该地域内的防御作战。第2、第5和第16空军集团军，外加两个防空战斗机师（约3，000架飞机）被配属给驻在库尔斯克地域内的沃罗涅日和中央方面军。此外，在必要时，这两个方面军还可以要求邻近的四个方面军的飞机予以援助，并可动用大本营的预备队。德国空军在俄国战场上的三分之二的兵力都被用于库尔斯克的进攻作战（德国人称之为“卫城”战役）；共有飞机2，000架左右（轰炸机1，200架，战斗机600架，俯冲轰炸机100架，侦察机150架）。
由于双方在5、6两个月内都在调集兵力，主要作战活动是在空中进行的。5月上旬苏联飞机突击了德国的机场，目的是将德军飞机消灭于地面，这一手是德国人在1941年教会他们的。在苏联空军突击德军机场期间，德国轰炸机则几乎每夜都出动，突击高尔基、萨拉托夫、雅罗斯拉夫尔等地的苏联军事工厂。这种规模不大的活动是德军当时对苏联的工业唯一的一次突击。
库尔斯克战役是以第二次世界大战期间最大的一次坦克战而为人们所熟知的，但它也是一个规模很大的空军战役。作战双方投入的飞机总共约有5，000架。在战役的一个阶段内，德军在别尔哥罗德地区对沃罗涅日方面军发动进攻时，在面积为12x 37英里（15x 59公里）的一块地区内，进行活动的飞机竟达2，000架以上，一次空战往往有100至150架飞机参加。苏联在数量上占有的优势，正如一位德国作者所说的： 。
“德军在1943半夏季为了重新夺取空中优势而进行的种种努力，并未获得持续的或完全的成功。自从1943年秋季德军最后进攻库尔斯克突出部遭到失败以后，俄国人无疑已经控制了天空。”
有几个关于库尔斯克战役的所谓的“官方”数字的实例可以说明，历史学家在试图统计飞机的损失数字时，面临着巨大困难。根据诺维科夫和科热夫尼科夫的材料，苏联空军人员共出动了118，000架次，在空中和地面总共消灭德国飞机大约3，700架。但是，普洛克尔将军引用“官方”数字说，德国空军第1师在奥廖尔突出�