В процессе подготовки разработали мероприятия для спасения экипажей самолетов. Для этой цели выделялись самолеты PBN-1 «Catalina» и торпедные катера. Эта задача ставилась также подводным лодкам, действовавшим у побережья Румынии.
Для увеличения тактического радиуса действия самолеты Пе-2 оборудовали дополнительными баками с горючим на 250 л, что прибавило к нормальной продолжительности полета еще 25 минут. На самолетах Р-39 штатные баки для горючего емкостью 320 л заменили новыми емкостью 450 л. Специально для определения оптимального режима полета этих самолетов провели испытательные полеты звеньев Пе-2 и Р-39. На их основании выдали соответствующие указания по соблюдению режима полета.
Во время подготовки на полигоне отрабатывалось бомбометание, особенно молодыми экипажами, стрельбы по конусу, ведение воздушного боя с истребителями противника, слетанность групп и их тактическое взаимодействие. Однако строевая часть — не учебная, да и постоянно сказывался дефицит топлива. Так что относительно интенсивная боевая подготовка все равно не могла обеспечить требуемого уровня практических навыков летного состава.
За несколько дней до начала операции офицеры штаба ВВС флота провели проверку готовности штабов частей и соединений, материальной части и вооружения самолетов. 19 августа в целях дезинформации противника все самолетные радиостанции перестроили на новые частоты.
Перед операцией провели оперативное развертывание сил. Самолеты с большим радиусом действия (Ил-4, DB-7B «Бостон», A-20G, Р-40) находились на аэродромах Крыма, а самолеты с меньшим радиусом действия (Пе-2, Ил-2) сосредоточили на Одесском аэродромном узле.
Всеми силами в операции руководил из Севастополя командующий ВВС флота генерал-полковник В.В. Ермаченков. В районе Одессы организовали вспомогательный пункт управления (ВПУ), где находился начальник штаба ВВС ЧФ генерал-майор авиации Б.Л. Петров. Через ВПУ поддерживалась связь и осуществлялось взаимодействие с командованием 3-го Украинского фронта. Командовать силами непосредственно в ударе по Констанце поручили командиру 13-й авиадивизии полковнику И.Б. Корзунову, который должен был находиться в воздухе непосредственно в боевых порядках подчиненных сил.
В соответствии с разработанным планом днем 19 августа 23-й полк штурмовой авиации группами по 5–6 самолетов наносил предварительные бомбово-штурмовые удары по плавсредствам противника в порту Сулина, постам СНИС и PЛC на острове Змеиный, преследуя цель отвлечь внимание противника от готовившегося главного удара по Констанце. Всего штурмовики произвели до 60 самолето-вылетов под прикрытием истребителей ЛаГГ-3 25-го авиаполка.
Эти удары хоть и числились отвлекающими, но оказались очень результативными. В частности, в Сулинском гирле Дуная штурмовики потопили германские торпедные катера S-26 и S-40, а также тяжело повредили S-72, который 23 августа пришлось затопить. А вот с островом Змеиный получилось по-иному. Дело в том, что в отчете сказано о разрушении здания в центре острова, двух землянок и батареи МЗА, но о каких-либо объектах, напоминающих РЛС, не говорится ничего. Все верно — ее там просто не было, зато минимум по одной РЛС находились в районе самой Констанцы и в Сулине.
В течение ночи 20 августа Ил-4 произвели семь одиночных вылетов для нанесения ударов по кораблям и изматывания системы ПВО ВМБ Констанца. Удары наносились с интервалом 20–25 минут с высоты 4200–5500 м. Для подсветки целей использовались осветительные авиационные бомбы. Боевой работе этих самолетов противодействовало до семи стационарных зенитных батарей и зенитная артиллерия кораблей, стоящих на рейде.
С получением последних данных воздушной разведки 20 августа командующий ВВС ЧФ дал сигнал на подъем всех тактических групп. Взлет ударной группы, сбор частей 13 дивизии и истребителей прикрытия (136 самолетов) выполнили организованно, этот процесс занял всего 15 минут. Набор высоты до 4 тыс. метров производился на маршруте. Скорость полета 320 км/ч.
До нанесения главного удара в район юго-восточнее Констанцы из Евпатории взлетала демонстративная группа в составе 10 бомбардировщиков (DB-7B «Бостон» и A-20G) и 14 истребителей Р-40 с задачей отвлечь на себя истребительную авиацию противника и держать в напряжении систему ПВО. В течение 100 минут эта группа производила демонстративный полет в заданном направлении. Не встретив сопротивления со стороны истребителей противника, группа вернулась на свой аэродром.
23-й штурмовой авиаполк имел задачу подавления истребительной авиации противника на аэродромах, чтобы не дать ей возможности вылетать против наших ударных групп на участке маршрута Днестровский лиман — Сулина. Воздушная разведка на аэродромах этого участка истребительной авиации не обнаружила. Поэтому командующий ВВС перед 23-м авиаполком поставил другую задачу: «С целью отвлечения внимания противника на себя для нанесения скрытного удара ударными группами по ВМБ Констанца нанести ряд последовательных ударов по плавсредствам противника в порту Сулина». Для выполнения поставленной задачи выделили 29 самолетов Ил-2, действия которых прикрывали 18 истребителей ЛаГГ-3 25-го авиаполка. В период с 10:00 до 10:32 20 августа эти силы пятью группами последовательно нанесли бомбоштурмовые удары. В результате потоплены румынская самоходная баржа «Kozia» и сторожевой катер SW-1, а также тяжело повреждена десантная баржа F-506, затем брошенная экипажем.
В 09:15 вылетел на выполнение боевого задания 13-й авиаполк, имевший следующую задачу: одновременно двумя группами под прикрытием истребителей Р-39 11-го авиаполка за три минуты до нанесения главного удара 13-й авиадивизией нанести бомбовый удар по плавбазе подводных лодок «Constanta» и бомбами ДАП-100/80-ф произвести задымление наблюдательных пунктов и огневых позиций зенитной артиллерии противника в районе порта Констанца.
Первая группа в составе девяти самолетов-дымзавесчиков A-20G и одного A-20G для определения направления ветра под прикрытием девяти Р-39, вторая группа из десяти самолетов A-20G под прикрытием девяти Р-39 и вспомогательная ударная группа из трех Р-39 произвели сбор в районе аэродрома и в 9:39 лети на курс следования к цели. Один A-20G, выделенный для определения направления ветра у земли в районе цели, до точки сбрасывания бомб следовал в общем строю группы. В 10:30 в точке Ш=44°42′ Д=30°10′, выйдя из общего строя вперед со снижением на дистанцию до 20 км, с высоты 4200 м он сбросил бомбы ДАП-100/80-ф и к 10:35 повторно сбросил еще четыре ДАП-100. По клубам дыма штурманы экипажей группы дымзавесчиков определили ветер у земли, а ведущий группы принял решение — дымзавесу поставить в южной части порта Констанца. Группа бомбардировщиков по этим же данным произвела промер ветра для заданной высоты бомбометания.
Выйдя в район Констанцы на 4 минуты раньше, обе группы сделали дополнительный излом пути для потери времени и в 10:52 на высоте 6000 м вышли в точку тактического развертывания. После сигнала выхода в атаку группа из десяти самолетов A-20G в 10:57 боевым курсом 225° с высоты 5300 м сбросила 66 ФАБ-100 по эсминцу и транспорту в северной части порта Констанца. Третье звено сбросило бомбы по ведущему с опозданием, в результате все бомбы легли с перелетом в районе Лесной гавани. По визуальному наблюдению экипажей бомбардировщиков отмечено два прямых попадания в транспорт водоизмещением 6000 т, который загорелся. Разрывы остальных бомб наблюдались вдоль причалов северной гавани и мастерских. Обратим внимание: цель удара, плавбаза «Constanta», находилась в самой южной части порта у мола — а бомбили корабли в северной части порта.