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.