С середины июля 1941 года началось сражение под Смоленском. К этому времени немецкие войска продвинулись настолько, что появилась возможность совершать налеты дальних бомбардировщиков на Москву. С этой целью были спланированы и проведены специальные воздушные операции, в который участвовало от 30 до 100 бомбардировщиков и до дивизии истребителей прикрытия. Первые воздушные удары по Москве были нанесены 21 и 22 июля 1941 года. Особых результатов они не достигли, но политический и психологический резонанс прозвучал достаточно громко.
В связи с систематическими налетами немецкой авиации на Москву и Ленинград Советское Верховное Главнокомандование приняло решение нанести ответные удары по столице фашистской Германии – Берлину. Для этой цели была выделена авиационная группа 1-го минно-торпедного полка ВВС Краснознаменного Балтийского флота во главе с командиром полка Е. Н. Преображенским на самолетах ДБ-3. В ночь на 8 августа 1941 года эта группа с аэродрома острова Эзель совершила первый налет на Берлин.
Помимо авиации Краснознаменного Балтийского флота Берлин бомбила 81-я авиационная дивизия дальнебомбардировочной авиации (командир дивизии – комбриг М. В. Водопьянов, с 17 августа – полковник А. Е. Голованов). Штаб ВВС Советской Армии совместно с 5-м управлением ВВС разрабатывал боевые задания 81-й авиационной дивизии, обеспечивал пролет и возвращение бомбардировщиков через линию фронта. Всего до 4 сентября 1941 года советские летчики произвели на Берлин 10 налетов небольшими группами тяжелых бомбардировщиков. По военным объектам Берлина было сброшено несколько сот крупнокалиберных фугасных бомб.
С началом общего наступления немцев на Москву для действий на данном направлении была произведена масштабная перегруппировка Люфтваффе. В результате этой перегруппировки командующий 2-м воздушным флотом генерал-фельдмаршал Кессельринг получил в свое распоряжение мощнейшую за все время группировку авиации в составе 1320 боевых машин, в том числе 600 дальних бомбардировщиков, 120 пикирующих бомбардировщиков, 500 истребителей, 100 разведчиков. Основные силы этой группировки были направлены на поддержку действий наземных войск в районах Клина и Вязьмы.
В начале октября 1941 года немецким командованием была спланирована воздушная операция с целью нанесения удара по войскам Западного фронта, а также по промышленным и авиационным центрам, железнодорожным узлам, мостам, переправам, штабам, станциям снабжения, находящимся в полосе этого фронта. Но о подготовке этой операции заблаговременно стало известно советскому командованию.
10 октября 1941 года Ставка ВГК отдала директиву командующему ВВС РККА, в которой указывалось, что, по агентурным данным, 12–13 октября 1941 года по всему Западному фронту противник предполагает произвести массированный налет авиации. В связи с этим было приказано командующему ВВС РККА в ночь на 12 октября, утром и днем 12 октября организовать решительное уничтожение немецкой авиации на аэродромах Северо-Западного, Западного и Юго-Западного направлений, а также принять меры по рассредоточению своих самолетов на аэродромах и усилить готовность средств ПВО к отражению налетов вражеской авиации.
В соответствии с полученной директивой командованием и штабом ВВС Советской Армии в срочном порядке был разработан план действий ВВС по уничтожению самолетов противника на аэродромах на период с 11 по 18 октября. Для решения этой задачи привлекались соединения дальнебомбардировочной авиации и ВВС Северо-Западного, Западного, Брянского, Юго-Западного и Южного фронтов.
По своему размаху, привлекаемым силам и достигнутым результатам это была самая крупная воздушная операция советских ВВС 1941 года. Результаты ее были весьма высокие. Командующий ВВС доложил в Ставку ВГК: «ВВС Красной Армии в период с 11 по 18 октября 1941 г. произвели ряд бомбардировочных ударов по аэродромам противника на северо-западном, западном и южном направлениях. Только за два дня (11 и 12 октября) и в ночь на 13 октября на аэродромах Витебска, Смоленска, Орла, Орши, Сиверской, Н. Дугина и других было уничтожено 166 самолетов. А всего с 11 по 18 октября на аэродромах уничтожено, по неполным данным, не менее 500 вражеских самолетов... Ударами по аэродромам нанесено крупное поражение вражеской авиации, в результате чего сорван намечавшийся ею массированный удар».
Осенние дожди и приближение зимы создали немалые трудности для работы немецкой авиации с временных полевых аэродромов. Приходилось тяжелую авиацию держать в глубоком тылу, а легкую – ближе к линии фронта. В результате этого частым стало нарушение взаимодействия между бомбардировочной и истребительной авиацией, стало намного труднее массировать силы авиации для нанесения крупных авиационных ударов.
В октябре немецкая авиация произвела 31 налет на Москву. В них участвовало около 2 тысяч самолетов, но прорваться к объектам бомбометания смогли всего 72. При отражении налетов в воздушных боях и огнем зенитной артиллерии было сбито 278 самолетов.
В начале ноября 1941 года Ставка ВГК, придавая большое значение завоеванию оперативного господства в воздухе на московском направлении, приказала командующему ВВС Советской Армии с 5 по 8 ноября провести воздушную операцию по уничтожению немецкой авиации на аэродромах. Для проведения этой операции предлагалось привлечь от ВВС Калининского фронта 32 самолета, от ВВС Западного – 46, от ВВС Брянского фронта – 56, от авиации Московской зоны обороны – 32, от дальнебомбардировочной авиации – 80 и от 81-й отдельной бомбардировочной дивизии ВГК – 54 самолета, всего 300 боевых самолетов, которые должны были нанести одновременный удар по 19 аэродромам.
В соответствии с этим планом 5 ноября ударам подверглись 13 немецких аэродромов, 6 и 7 ноября – 15, а 12 и 15 ноября были повторно нанесены удары по 19 аэродромам. В результате было уничтожено и повреждено более 100 и сбит в воздушных боях 61 самолет.
К началу контрнаступления под Москвой на первые числа декабря 1941 года советские войска уже превосходили немецкие по количеству авиации (1200 боевых самолетов против 700 машин). Это превосходство было эффективно использовано в ходе боевых действий.
В целом же интенсивность боевых действий немецкой авиации на Восточном фронте в 1941 году при ее средней численности порядка 2500 самолетов составляла примерно 1200 самолето-вылетов в день, а в периоды повышенной активности боевых действий достигала 2000 самолето-вылетов.
В результате поражения под Москвой, продолжительных боев на других участках советско-германского фронта к весне 1942 года численность немецкой авиации, действующей на Востоке, сократилась до 1700 боевых машин.
Весной и летом 1942 года основные усилия немецкой авиации были сосредоточены на южном крыле советско-германского фронта. Все время, пока немецкие войска быстро наступали вдоль Дона от Воронежа в направлении Сталинграда и из района Ростова на Кавказ в направлении Майкопа и Армавира, значительная часть их дальней бомбардировочной авиации участвовала в налетах на коммуникации в тылу противника. Эти операции охватывали обширный район, включая Северный Кавказ. Массированным ударам подвергались мосты, паромные переправы, железные дороги, а также коммуникации в более глубоком тылу советских войск, порты Черноморского побережья Кавказа вплоть до Поти. Даже предпринимались в небольших масштабах попытки минирования Волги и подвергались ударам с воздуха суда на Волге до самой Астрахани.