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。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。
航空兵卓有成效的支援保证了地面部队扩大战果，到12月21日，西南方面军即切断了意大利第8集团军主力部队的一切退路。坦克第24军所取得的战果最为显著，该军5天前进了240公里，于12月24日以迅猛的冲击一举攻占塔钦斯卡亚机场，击毁和缴获350架敌机。军长巴丹诺夫将军由于这一英勇行动在苏军中第1个荣膺二级苏沃罗夫勋章。
从1942年12月16日至31日，苏联空军第2和第17集团军共出动飞机4177架次，其中80％以上直接用于支援地面部队。西南方面军在航空兵的协助下，15天内挺进了100至200公里，歼灭德军及其仆从国部队6万余人，打垮了敌托尔莫辛集团。从此，希特勒解救被围德军的企图被彻底粉碎。
被出卖了的集团军
在1942年12月的各次战斗中，德军被围集团有约8万人被苏军消灭，被围人数已由33万减为25万。
早在11月22日合围圈将要封闭时，德第6集团军司令保卢斯和第8航空军司令菲比希就曾给希特勒去电建议：如空中补给行不通的话，可以利用突围挽救集团军。然而希特勒坚持一旦占领的土地就不准再丢失的原则。这位元首已经失去了理智， 他将负责空军的戈林元帅找来，说：空军如果不去救援的话，第6集团军的末日恐怕就要到了。 戈林怕自己成为替罪羊，只好向他保证，德国空军能够支援第6集团军。因此，希特勒给予保卢斯请求突围的答复是不行！他命令第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。命令的结尾一句话是：第6集团军补给由空运解决。德军当时缺少运输机，11、12月份顿河地区的天气又十分恶劣，希特勒却不顾前线司令官们的一致反对，要用空运解决25万人的军需，这显然是无稽之谈。难怪第4航空队司令里希特霍芬上将听说后大喊：这样做简直是发疯！连后来奋力为被围集团空运的德军飞行员们也称保卢斯的部队是被出卖了的第6集团军。
11月24日，德军运输机部队接到空军总司令下达的命令，要求他们无论如何每天要给包围圈内的德军空运330吨物资。德国空军向斯大林格勒方向调遣了最强的轰炸机中队以及运输机集群。最初几个星期，有近600架飞机参加了运输。他们还选调了德军飞行学校部分经验丰富的教官担任运输机驾驶员，这些教官能够在各种气象条件下执行战斗任务，能在白天和夜晚远距离飞行。1942年12月至1943年1月，德国空军为了解救在斯大林格勒地区被围的部队，共出动飞机14097架次。
为了粉碎德军空中供给计划，苏军对敌被包围集团进行了空中封锁。空中封锁是由西南方面军、顿河方面军和斯大林格勒方面军的航空兵和防空部队，在国土防空军部队的密切配合下实施的。空军司令员诺维科夫在11月底和12月初数次给各空军集团军、防空歼击航空兵和远程航空兵下达命令或指示，指出同德军运输航空兵作斗争是当前苏军航空兵的一项最主要的任务。
为了有效地消灭着陆机场上和空中的德军运输机，苏军沿合围圈建立了报知和引导无线电台网，并由地面部队中的航空兵代表使用无线电设备进行报知和引导。这个系统在与德军运输航空兵的斗争中起了重大作用。12月11日晨，歼击航空兵第235师师长波德戈尔内上校带领18架歼击机，根据无线电引导站的信号起飞了。在地面电台的引导下，他们在大切普尔尼克地域内向16架敌运输机发起突然攻击，这些敌机载着物资正飞向斯大林格勒，并有4架M…109战斗机掩护。苏歼击机一举击落敌9架运输机，其中5架在空中烧毁，其余的迫降在野外，8名飞行员被俘。剩下7架敌机企图回逃，但被苏歼击机追上去又消灭了6架，只有1架敌机越过战线逃掉了。
德军大部分出击机场都远离合围地域250到350公里，因此，战斗机为轰炸机和运输机护航已无可能。于是，德军就改在夜间或白天复杂气象条件下飞行。部分敌机乘合围地域以南既无绵密正面又无苏军机场，从该地域南面窜到伏尔加河东岸，尔后再北转，从东面进入斯大林格勒地区。在这种情况下，苏军不得不对敌被围集团组织环形封锁。
封锁区划分为4个空域：1号空域为合围对外正面以外的地区，主要任务是消灭起飞机场上的敌机。在该空域作战的有空军第8、第16和第17集团军以及远程航空兵的部队。他们曾先后对德军莫罗佐夫斯克、塔秦斯卡亚、萨利斯克、新切尔卡斯克和罗斯托夫等机场进行了猛烈袭击。最典型的一次是1月9日对萨利斯克机场的成功突击。这次突击是巴赫金大尉带领7架伊尔…2飞机在1个歼击机大队护送下实施的。根据空中侦察的情报得知，在萨利斯克机场上集结有300多架敌运输机和作战飞机。伊尔…2飞机突然穿云而出，对机场进行了果断的和极其巧妙的第1次攻击，紧接着又先后5次进入目标，用****、火箭弹和枪炮火力击毁击伤72架敌运输机，空中还击落德战斗机3架，自己仅损失飞机4架。
2号空域位于合围的对内对外正面之间，这个区域是环形的，它分为5个扇区，每个扇区由1个航空兵师负责。在该空域内，歼击机从机场待战和空中待战状态出动，截击和消灭德机。
3号空域围绕并紧靠着整个合围地域。在该空域内由高射炮兵消灭德机。为此，在这个区域内集中了各方面军和斯大林格勒军级防空地域的近400门高射炮和250挺高射机枪。
合围地域本身是第4号空域。在这里，空中和地面的德军飞机由航空兵、高射炮兵和野战炮兵负责歼灭。德军的机场白天由歼击机封锁，夜晚由波…2轻型轰炸机封锁。当机场夜航灯打开时，空中值班的波…2飞机立即对该机场投弹。
航空兵和高射炮兵联合对斯大林格勒地区被围德军实施的空中封锁极有成效。在整个封锁过程中，通过空战、突击机场和对空射击等战斗行动，共消灭了近1200架德国飞机，其中80％是运输机和轰炸机。德国空军还损失了大批训练有素的飞行员。第6集团军旗均每天只得到50…80吨物资，而不是许诺的300吨。由于得不到必需的物资器材、给养、弹药和汕料，被围德军的作战能力受到严重影响。空中封锁有力地促成了被围德军集群的崩溃。
苏军统帅部粉碎了德军为被围集团解除封锁的企图后，决定彻底消灭该集团。1943年1月10日，在第6集团军拒绝接受敦促投降的最后通牒后，顿河方面军对敌发动了进攻。空军第16集团军积极支援地面部队突破敌防御地幅，一昼夜内即出动飞机676架次，突击了被围德军的部队、司令部以及抵抗枢纽部，从空中牢固地封锁了大罗索什卡和皮托姆尼克机场。苏军轰炸航空兵第2军的飞行员们积极行动，在战役的第1天出动了飞机172架次。由于德军的机场距离太远，其战斗机无法到合围地域作战。至1月22日，苏军开始对德军集团分割围歼，德军被分割为南北两部。1月31日，南部德军被歼，德军第6集团军司令保卢斯被俘。2月2日北部集群也投降了。
2月2日夜里，德军两架海…111式飞机再次满载物资飞到斯大林格勒上空。但是，无论怎么寻找，下面都没有动静。因为战斗已经结束了。
苏军航空兵在斯大林格勒会战中积极而坚决的作战行动，使得苏军在战役的反攻阶段再次夺得制空权。苏军的雄鹰在斯大林格勒上空又得以自由翱翔，对苏军包围并最终消灭德军第6集团军旗了至关重要的作用，并对从根本上削弱德国空�