Воздушная обстановка в январе 1943 г. резко изменилась в пользу нашей авиации. Аэродромы противника находились на большом удалении, и его истребители не могли действовать в районе окружения. Самолетный парк 16-й воздушной армии был увеличен до 610 самолетов. Все ее силы направлялись на поддержку наступления только одной 65-й армии, наносившей главный удар.
Для обеспечения тесного взаимодействия с сухопутными войсками было организовано два вспомогательных пункта управления и вдоль линии фронта развернуто четыре радиостанции.
После того как ультиматум советского командования о капитуляции противником не был принят, на рассвете 10 января 1943 г. войска Донского фронта после мощной артиллерийской и авиационной подготовки перешли в наступление. 16-я воздушная армия, активно поддерживая войска при прорыве тактической зоны обороны, за сутки совершила 676 самолето-вылетов. Ее ударам подвергались войска, штабы, узлы сопротивления противника. Были прочно блокированы с воздуха аэродромы Большая Россошка и Питомник. Активно действовали летчики 2-го бомбардировочного авиационного корпуса (командир генерал И. Л. Туркель), которые в первый день операции совершили 172 самолето-вылета.
Окруженный противник яростно сопротивлялся и часто переходил в контратаки, которые с еще большей решительностью отражались войсками фронта при поддержке авиации. Наши войска к исходу 12 января заняли западную часть территории окруженной группировки. Успешно развивались боевые действия и в южном секторе. Под натиском войск 57-й армии противник с утра 15 января начал в беспорядке отступать к Сталинграду, а через шесть дней он был разгромлен.
Советское командование вторично предложило гитлеровцам капитулировать. Но и это предложение было отвергнуто. Советские войска 22 января приступили к расчленению и полному уничтожению вражеской группировки. К исходу 24 января наши войска подошли к юго-западной и западной окраине города, а 26 января они соединились с войсками 62-й армии, находящимися в самом городе. Группировка врага оказалась расчлененной на две части, и вражеские войска целыми соединениями начали сдаваться в плен. 31 января капитулировала южная группа войск во главе с генерал-фельдмаршалом Паулюсом, а 2 февраля северная.
16-я воздушная армия и авиация дальнего действия с 14 января и до полной ликвидации окруженной группировки активно поддерживали войска, нанося удары по живой силе и технике противника, уничтожали его самолеты на аэродромах и в воздухе.
Господство в воздухе, завоеванное в начале контрнаступления, благоприятно влияло на действия наших войск, бомбардировочной и штурмовой авиации. Если бомбардировщики и штурмовики в первой половине января действовали группами 3 - 9 самолетов с 1 - 2 заходов, то во второй половине января они совершали по 4 - 6 заходов на цель, сбрасывая в каждом из них по одной-две бомбы и обстреливая противника из пушек и пулеметов Бомбардировщики приступили к действиям группами до 40 самолетов.