Оправдал себя опыт координации усилий видов авиации, впервые осуществленный представителями Ставки ВГК по авиации. В оборонительной операции для управления боевыми действиями истребительной и штурмовой авиации стали применяться радиосредства.
Непрерывно совершенствовалась организация взаимодействия авиации с войсками. В штабах общевойсковых армий постоянно находились представители от авиации, отрабатывались планы взаимодействия.
По сравнению с операциями, проведенными нашими войсками в 1941 г., удельный вес ночных действий авиации в битве на Волге был значительно выше (около 47% всех самолето-вылетов), этим самым достигалась непрерывность воздействия авиации на войска противника в дневное и ночное время.
В условиях, когда немецкая авиация свои основные усилия сосредоточивала над полем боя, главным способом борьбы с нею являлись воздушные бои, в которых было уничтожено 76% вражеских самолетов.
Большую помощь общевойсковому и авиационному командованию оказала воздушная разведка. При помощи ее своевременно устанавливались районы сосредоточения резервов и ударных группировок войск и авиации противника. Для ведения воздушной разведки наряду со специальными разведывательными авиационными полками широко привлекались отдельные опытные летные экипажи, звенья, эскадрильи всех родов авиации. Визуальное наблюдение за действиями противника стало дополняться воздушным фотографированием, а передача сведений о противнике стала осуществляться по радио с борта самолета-разведчика.
Полученный опыт поддержки авиацией сухопутных войск в ходе длительных боев за Сталинград нашел широкое применение в последующих операциях Великой Отечественной войны при овладении крупными городами.
Новым в тактике штурмовой авиации было широкое применение ее в качестве ближних бомбардировщиков днем и частично ночью. В связи с этим штурмовики стали вести боевые действия не только на бреющем полете, но и со средних и малых высот. Для длительного воздействия по войскам противника и повышения обороноспособности наши летчики в районе цели стали более широко применять боевой порядок - "круг самолетов"
Главным способом боевых действий наших истребителей при прикрытии сухопутных войск и объектов тыла, как и в предыдущих операциях, было систематическое патрулирование в дневное время. Поступление на вооружение новых типов самолетов Як-7б и Ла-5 дало возможность применять в воздушном бою маневр в вертикальной плоскости. К концу оборонительной операции в штатах истребительных авиационных полков было организационно оформлено авиазвено, состоящее из двух пар самолетов, ставшее основной тактической единицей.