В воскресенье 16 сентября утром Кессельринг предпринял новый налет. На этот раз английские истребители действовали более согласованно. Немецкие самолеты на всем пути от побережья подвергались атакам одной-двух эскадрилий попеременно (всего в этих атаках участвовало 22 эскадрильи). В зону Лондона прорвалось только 148 бомбардировщиков, но и им помешали провести бомбометание прицельно. По возвращении на базы немецкие самолеты были атакованы 12-й авиационной группой (около 60 истребителей). И хотя атака не имела большого эффекта, немецкие летчики были явно напуганы внезапным появлением множества истребителей. В полдень под прикрытием облачности значительное число немецких бомбардировщиков беспрепятственно прорвались к Лондону. Бомбардировка причинила большой ущерб и привела к большим жертвам в густонаселенных кварталах Ист Энда. В течение дня английская противовоздушная оборона вывела из строя приблизительно четвертую часть всех участвовавших в налетах бомбардировщиков. Во многих немецких экипажах были раненые и убитые. Это отрицательно сказалось на моральном духе личного состава люфтваффе.
Действительные потери немцев в течение этого дня, как было установлено позже, составили 60 самолетов, то есть в три раза меньше той цифры (185 самолетов), которую торжественно сообщило английское министерство авиации. Английская авиация потеряла только 26 истребителей, причем большинству летчиков удалось спастись. Итог был более благоприятным, чем в прошедшие недели. И все же Геринг, обвиняя во всем летчиков истребительной авиации, продолжал сверхоптимистически утверждать, что с английской истребительной авиацией через четыре-пять дней будет покончено. Однако никто в Германии не разделял его оптимизма.
Гитлер выразил согласие с мнением штаба ВМС, что английская авиация отнюдь не побеждена, 17 сентября, сославшись на ухудшение погоды, он отложил вторжение на «неопределенный срок».
На следующий день Гитлер издал приказ — прекратить накапливание десантно-высадочных средств в проливе и начать их рассредоточение. К этому времени английская авиация потопила или нанесла повреждения 21 транспорту из 170 и 214 десантным баржам из 1918. 12 октября начало операции «Морской лев» было окончательно перенесено на весну 1941 года, а в январе Гитлер приказал прекратить все приготовления, за исключением осуществления некоторых долгосрочных мер. Его помыслы теперь были определенно устремлены на Восток.
Геринг продолжал настаивать на дневных налетах, однако результаты с каждым разом все больше разочаровывали, хотя и имели место отдельные случайные успехи. 25 сентября сильной бомбардировке подвергся авиационной завод близ Бристоля, а на следующий день был временно выведен из строя завод близ Саутгемптона. Полным провалом закончился крупный налет на Лондон 27 сентября, а в последнем крупном дневном налете 30 сентября лишь немногим немецким самолетам удалось достичь английской столицы. Немцы потеряли 47 самолетов, в то время как английская авиация только 20.
Разочаровывающие итоги битвы во второй половине сентября и тяжелые потери в бомбардировочной авиации заставили Геринга прибегнуть к использованию истребителей-бомбардировщиков, действовавших на большой высоте. Примерно в середине сентября всем соединениям немецкой истребительной авиации, участвовавшим в боях, было приказано выделить около трети своих самолетов для переоборудования в истребители-бомбардировщики. Таким образом было создано в общей сложности около 250 истребителей-бомбардировщиков. Однако на переподготовку летчиков отводилось очень мало времени. Бомбовая нагрузка, которую могли нести эти самолеты, оказалась недостаточной для того, чтобы причинить значительный ущерб объектам налетов. Кроме того, летчики инстинктивно избавлялись от бомб как можно скорее, сразу же после начала боя.
Использование истребителей-бомбардировщиков поначалу сократило потери немецкой авиации. Однако к концу октября потери немецкой авиации вновь возросли до прежнего уровня, а с наступлением плохой погоды увеличилось напряжение экипажей истребителей-бомбардировщиков, действовавших с поспешно оборудованных взлетно-посадочных полос. В октябре немцы потеряли 325 самолетов, что значительно превысило потери англичан.
Единственную серьезную опасность представляли теперь ночные налеты обычных бомбардировщиков. С 9 сентября 3-й воздушный флот под командованием Шперля (около 300 бомбардировщиков), используя прежние методы действий, в точение 57 ночей наносил удары по Лондону. В среднем в налетах участвовало по 160 бомбардировщиков за ночь.
