Номинально самыми мощными боевыми самолетами в арсенале обеих стран являются Су-30СМ Армении. Однако с декабря 2019 г. ВВС получили лишь четыре таких самолета. Основным типом в парке малой боевой авиации остается штурмовик Су-25. ВВС России присутствуют в Армении с 1995 г., когда была создана 426-я авиационная группа, в 2001 г. переименованная в 3624-ю авиационную базу. С 1998 г. в Эребуни дислоцированы 18 единиц российских истребителей МиГ-29. В 2019 г. российские источники указывали, что МиГ-29 будут заменены Су-30СМ.
Интерес Армении к Су-30СМ можно проследить с 2012 г., когда, как сообщалось, Ереван вел переговоры с Москвой о приобретении 12 самолетов. Сделка сорвалась якобы из-за неспособности Армении расплатиться. Интерес к Су-30СМ возродился не раньше 2018 г., а контракт был подписан примерно к концу того же года. Тогда министр обороны Давид Тоноян заявил, что целью было возможно скорейшее получение самолетов. В августе 2020 г. он сообщил, что последующий заказ минимум на четыре Су-30СМ в середине 2020 г. находился на стадии обсуждения. Однако в ноябре 2020 г., после поражения Армении, Тоноян подал в отставку.
Хотя на момент начала военных действий между Арменией и Азербайджаном первые четыре Су-30СМ номинально находились в строю, остается вопрос о наличии у ВВС достаточного числа удовлетворительно подготовленного летного состава. Даже если бы некоторые из летчиков Су-25 прошли курс переобучения на управление боевым самолетом совершенно иного класса, а другие переквалифицировались в операторов систем вооружения, недостаток летных часов и опыта оставался бы заметным. Су-30СМ, по-видимому, не были развернуты во время боевых действий. Сообщается, что премьер-министр Армении Никол Пашинян заявил парламенту страны, что пакет вооружений для этого самолета не был своевременно установлен. Однако спутниковые снимки аэродрома Гюмри от октября 2020 г. показывают Су-30СМ на стоянке (возможно, с вооружением), тогда как другие снимки показывают то, что выглядит как армянский самолет, несущий ракеты класса «воздух — воздух» Р-73 и Р-27Р.
Р-73 — это ИК-управляемая ракета «воздух — воздух» малой дальности, а Р-27Р — ракета с пассивной радиолокационной головкой самонаведения средней дальности. В совокупности, несмотря на зрелый возраст, обе они все еще представляют реальную угрозу при умелом использовании. Те же ракеты составляют основное противовоздушное вооружение азербайджанских истребителей МиГ-29.
Традиционная, пилотируемая авиация в ходе войны, по-видимому, применялась лишь в сравнительно ограниченном объеме. Отчасти это могло быть связано с малочисленностью противостоящих военно-воздушных сил, когда ни одна из сторон не желала полностью задействовать скудные средства. В случае с армянскими Су-30СМ сдерживающим фактором, вероятно, выступали уровень боеготовности, обусловленный лишь недавним поступлением на вооружение, и пропагандистское значение потери одного или нескольких самолетов. Сдерживающим фактором, возможно, выступило и присутствие в Армении и Азербайджане самолетов государства-патрона. Российское присутствие в Эребуни было отзеркалено размещением турецких истребителей F-16, в июле 2020 г. развернутых для проведения совместных учений в Азербайджане. Первоначально эти самолеты находились в Гяндже, а затем, вполне возможно, были переброшены в Габалу. После попытки нанесения армянской стороной удара с применением двух ракет Р-17 22 октября они перебазировались из Габалы на авиабазу Ленкорань.