Для обнаружения воздушного противника и оповещения о нем была создана сеть постов ВНОС, расположенных в основном западнее Волги, с удалением внешнего рубежа постов на 200—250 км. Имевшиеся три радиолокационные станции были развернуты в 60—80 км западнее и юго-западнее Сталинграда. Как правило, первоначально они служили для обнаружения воздушного противника, а с конца августа 1942 года — и для наведения истребительной авиации.
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.
После окружения группировки вражеских войск под руководством Ф. Паулюса командование люфтваффе приняло решение обеспечить ее снабжение с помощью авиации. «Воздушный мост» начал действовать 24 ноября 1942 года. В связи с новыми задачами в составе немецкого 4-го Воздушного флота были созданы два новых авиакомандования:
— первое (чисто транспортное) возглавил командир 1-й транспортной эскадры полковник Форстер, входили самолеты «Юнкерс» Ю-52 (до 29 декабря), Ю-86 (с 5 декабря), Ю-290;
— второе под командованием командира 55-й бомбардировочной эскадры полковника Кюля получил самолеты Хе-111 и Хе-177 (с 15 января 1943 года).
Их воздушное прикрытие обеспечивали истребители Ме-109, Ме-110, ФВ-200 (с 9 января 1943 года).
Общее руководство снабжением по «воздушному мосту» последовательно возлагалось на начальника района аэродромного базирования Тацинская генерал-майора Каргатенко, с 1 декабря — командира 8-го авиационного корпуса генерал-лейтенанта М. Фибига, а с 15 января по личному приказу А. Гитлера — на генерал-фельдмаршала Э. Мильха.
Немецкие самолеты базировались на аэродромах Тацинская, Котельниковский, Морозовск, Чернышевский, Зимовники. К середине декабря 1942 года группировка транспортной авиации насчитывала около тысячи самолетов. Их пилотировали лучшие экипажи со всей Германии, в том числе летчики-инструкторы из летных школ, опытные экипажи с международных авиатрасс Берлин—Париж, Берлин—Рим, пилоты из отряда связи Гитлера. Сначала полеты совершали одиночные транспортные самолеты, приземлявшиеся на аэродромы Большая Россошка, Питомник, Басаргино, Сталинград—Центральный и др. За последнюю пятидневку ноября окруженной группировке было доставлено 269 тонн грузов.
В начале декабря в район окружения стали прилетать группы по 20—40 транспортных самолетов под прикрытием истребителей. Наряду с полетами по кратчайшему расстоянию (40 км) самолеты следовали и по обходным маршрутам, для чего пересекали Волгу южнее Сталинграда, выходили в район Средней Ахтубы и оттуда шли на посадку. За первую декаду декабря они доставили 1377 тонн грузов.
Для борьбы с транспортной авиацией противника командование Военно-воздушных сил Красной Армии в конце декабря 1942 — начале января 1943 года разработало систему воздушной блокады окруженных немецко-фашистских войск. Она осуществлялась соединениями воздушных армий и зенитной артиллерии фронтов в тесном взаимодействии с войсками ПВО и реализовывалась как путем блокировки аэродромов и посадочных площадок, используемых транспортными самолетами, так и штурмовыми налетами на транспортные самолеты во время их стоянки под погрузкой или разгрузкой на аэродромах. 4 декабря 1942 года командующий ВВС генерал А.А. Новиков направил в адрес командующих 8-й ВА и 16-й ВА Т.Т. Хрюкина и С.И. Руденко специальную директиву по организации воздушной блокады окруженной группировки противника. В ней устанавливались разграничительные линии и зоны ответственности между воздушными армиями, давались указания о выделении истребительных и штурмовых дивизий и полков и закреплении за ними определенных участков. Для борьбы с транспортной авиацией врага предлагалось организовать разведку и блокирование аэродромов, находящихся в кольце окружения. О сбитых и уничтоженных транспортных самолетах предписывалось докладывать по телефону на командный пункт командующего ВВС, а подробные донесения представлять ежедневно к 22.00 по телеграфу.
