Действия штурмовиков на улицах Сталинграда сопровождались ожесточенными воздушными боями с превосходившими но численности вражескими истребителями. 20 сентября в районе Мамаева кургана при сопровождении штурмовиков были сбиты в неравном воздушном бою ведущий группы истребителей командир эскадрильи 296-го истребительного авиационного полка майор Б. П. Еремин и пилот 11-го истребительного полка сержант В. Н. Плотун. Еремин был ранен в руку, ногу и лицо разорвавшимся в кабине снарядом, его самолет загорелся. Раненый летчик с переворотом устремился к земле, рассчитывая сорвать охватившее самолет пламя. Когда это не удалось, он выбросился с парашютом и приземлился под прикрытием ведомого сержанта А. А. Старостина на нейтральной полосе у завода "Красный Октябрь". Бойцы 62-й армии, оборонявшие завод, подобрали раненого летчика и доставили в свой полевой медицинский пункт, где ему оказали первую помощь, а затем переправили через Волгу в авиаполк. На следующий день был сбит в воздушном бою лейтенант Амет-хан Султан. С группой товарищей он сопровождал девятку бомбардировщиков Пе-2 30-го бомбардировочного авиационного полка, ведомую командиром эскадрильи капитаном Ф. С. Токаренко. "Петляковы" наносили удар но скоплению танков и мотопехоты противника в овраге Долгий у южных скатов Мамаева кургана. Скопление войск прикрывалось с воздуха двенадцатью истребителями Ме-109, которые яростными атаками встретили группу Токаренко. Амет-хан Султан первым устремился в атаку, но в неравном бою его самолет был поврежден. Перетянув через Волгу, отважный летчик произвел посадку на фюзеляж в 6 км юго-восточнее Верхней Ахтубы. Оставшись без ведущего, ведомые продолжали самоотверженно отражать атаки вражеских истребителей и не допустили потерь "петляковых", а экипажи бомбардировщиков сбили два "мессершмитта".
Вражеская авиация, используя численное превосходство, неистовствовала. Штурм города затягивался, атаки гитлеровских войск разбивались о стойкость советских воинов. Сопротивление защитников Сталинграда не снижалось, а нарастало, их героизм был массовым. Вопреки усилению натиска вражеской авиации летчики 8-й воздушной армии не только оборонялись, но успешно атаковали противника. 27 сентября результативный групповой бой провели летчики 287-й истребительной авиационной дивизии, ведомые командиром дивизии Героем Советского Союза полковником С. П. Даниловым. В составе группы были две летчицы - старший лейтенант Р. Беляева и сержант Л. Литвяк. Прикрывая Сталинград с воздуха, группа Данилова вступила в бой с двумя пятерками бомбардировщиков Ю-88, шедших под прикрытием истребителей Ме-109 бомбить Тракторозаводский район. Помня приказ командующего атаковать в первую очередь бомбардировщиков, командир эскадрильи Н. М. Шутов врезался в их строй и сбил одного "юнкерса". За ним пошел в атаку командир полка майор М. С. Хвостиков в паре с Лилей Литвяк. Но в результате плотного огня вражеских стрелков самолет Хвостикова получил повреждение, и летчик был вынужден прекратить атаку. Тогда Литвяк приблизилась к "юнкерсу" на дистанцию 30 м и сразила его. Затем Лиля пристроилась к Беляевой и вместе с ней вступила в бой с подошедшими истребителями противника. Парой они, сбили Ме-109. В этом воздушном бою уничтожил "юнкерса" лейтенант Е. П. Дранищев. Два Ю-88 (одного лично, а второго в группе) сбил полковник С. П. Данилов.
Наравне с летчиками отдавал все силы для разгрома врага технический состав 8-й воздушной армии. 25 сентября большое мужество и героизм проявила группа авиаспециалистов во главе с военным комиссаром 27-го истребительного авиационного полка старшим политруком Н. Ф. Огировым. Эта группа была послана но тревоге для спасения железнодорожного состава с боеприпасами, подожженного вражескими истребителями на перегоне между станциями Безродная и Паромная. Прибыв к месту пожара, 32 авиаспециалиста действовали самоотверженно, не считаясь с опасностью. Отцепив горящие вагоны, воины откатили их от остального состава. Было спасено восемь из одиннадцати вагонов, и, несмотря на последовавшие взрывы трех горящих вагонов, не погиб ни один человек,
Несколько ранее красноармейцы 123-го отдельного автотранспортного батальона Ф. С. Майданович и А. Н. Бурко при охране нефтебазы на железнодорожной станции Раковка спасли два вагона муки, отцепив и откатив их от горящего эшелона. Через четыре дня они же проявили находчивость и спасли 160 т авиационного бензина, заделав пробоины в железнодорожных цистернах с помощью изготовленных из подручного материала клиньев.
