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.