Несмотря на невыгодное соотношение сил (в составе 4-го Воздушного флота люфтваффе на 23 июля 1942 г. числилось около 700 самолетов), активность советской авиации все время возрастала. Если при ведении обороны на дальних подступах к Сталинграду в среднем ежесуточно совершалось 450—460 самолето-вылетов, то в период боев на ближних подступах — 590—600, а в ходе боевых действий за город — 670—680 самолето-вылетов. Основные усилия ВВС направлялись на уничтожение живой силы и техники врага на поле боя, прикрытие своих войск и важных объектов. Для выполнения этих задач было совершено до 84% всех самолето-вылетов. Отличительной особенностью боевых действий авиации явилось резкое увеличение удельного веса ее ночных действий. В период оборонительной операции на Сталинградском направлении он возрос до 47% всех самолето-вылетов.
На оборонительном этапе Сталинградской битвы вместе с ВВС в отражении вражеского воздушного наступления активно взаимодействовали войска ПВО. И прежде всего это была 102-я ИАД ПВО (командир — полковник И.И. Красноюрченко, с 16 октября—полковник И.Г. Пунтус) в составе 439-го, 629-го, 651-го, 652-го и 788-го иап.
В основу ПВО Сталинграда был положен принцип создания круговой, эшелонированной в глубину зональной обороны. Общая глубина зоны ПВО к началу вражеского наступления достигала 200—250 км, что позволяло обнаруживать и встречать воздушного противника силами истребительной авиации на дальних подступах к городу. В целях обеспечения наращивания усилий ПВО на направлениях полета авиации врага три истребительных авиационных полка размещались на аэродромах в 150—180 км западнее и юго-западнее Сталинграда (Морозовск, Котельныковский). Еще два полка прикрывали ближние подступы, дислоцируясь на аэродромах Воропоново, Бекетовка. С продвижением противника на Сталинградском направлении истребительные авиационные пошей с аэродромов Морозовск и Котельниковский были перебазированы на ближние подступы — на аэродромы Гумрак и пос. Тракторный.
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.