苏联空军采用的“双机-四机”编队，在该编队战术中，基本飞行单元是两架飞机组成的“对”，其中一架是长机，另一架是僚机；两个“对”组成一个“群”
正如在地面部队身上所表现出来的那样，苏联军事指挥高层也在发展壮大他们的空中力量。到战争的最后一年时，苏联空军已经能够获得对东线天空的控制权。这部分是由于苏军早在“巴巴罗萨行动”发起前就开始的改革。例如，1940年1月，阿列克谢•伊万诺维奇•沙胡林被任命为航空工业人民委员，领导航空工业委员会。沙胡林开始整顿苏联的空中力量，强调要研制采用现代化设计的机型，但他的改革直到战争后期才显出成效。
空中的“巴巴罗萨行动”
德军的“巴巴罗萨行动”始于对苏联空军机场发起的大规模空袭。德军的空袭取得了令人难以置信的成功，其将数以千计的苏联飞机摧毁在了地面上。在1941年的整个夏季，德国空军始终握有主动权；到当年9月份，苏联空军已经损失了约7500架飞机，相比之下，德军仅损失了2100架飞机，外加数量不详的仆从国飞机。在苏德战争的开局阶段，苏联空军试图击退轴心国的部队，但事实证明他们在作战行动中是缺乏战斗力的。被打得支离破碎的苏联空军指挥和通信联络机构意味着他们的空中行动在协调方面极其糟糕。相反，集中统一的德国空军指挥体系使得德国人能够把他们的空中单位在整条战线上来回调动，并集中在关键地点使用。尽管在数量上处于劣势，但德国人能够更加有效地运用他们的空中力量。
表2. 1941年6月时东线德国空军的战斗序列
从一开始，德国空军就面临着严重的挑战。1941年6月，德国人在“巴巴罗萨行动”中共投入了约2770架各种型号的飞机，当时德军拥有的飞机总数为4900架。在东线战场投入这一数量的飞机被证明是不够用的，无法覆盖迅速延长的战线：在战役开始时，平均每千米长的战线上只能分摊到2架飞机。随着战役的进行和空中力量消耗的加剧，这一比例变得更加难看了。德国空军被要求完成一系列各种各样的任务，但其手头上的资源着实有限。在这一系列任务中，包括执行他们自己的战役性空中作战，向轴心国的地面部队提供近距离空中支援，以及在地面上的局势恶化时充当“救火队”的角色。
在开展行动的战场上，德国空军的活动范围直达纵深，其目标包括敌人的指挥部、部队集结地和后勤仓库，旨在孤立战场，并在地面战斗开始前就有效地赢得胜利。德国空军还有一项常常被人们所忽视的任务是航空侦察。德国空军在空中能够确定苏军的薄弱之处所在，并告知己方地面部队从这里发起突破；他们还能发现苏军反击部队的所在之处，并告知己方地面指挥官调动预备队前去应对威胁。正是在德国空军的种种帮助下，德军才能够发起快速机动的装甲作战。德军的机械化部队能够在地面上向敌军纵深突入，这是因为德国空军可以保护他们的侧翼。而且，因为飞机可以快速集中到前线的某个“点”上，因此当某支德军部队即将被苏军地面部队压垮时，德国空军看上去是用来提供火力支援的完美工具，同时还可以作为“矛尖”引导德军地面部队发起反突击。
1941年6月纳粹德国空军各航空队/空军司令部的作战地域
不过，没完没了的任务让德国空军的飞机遭受了严重的损耗，机组人员也变得疲惫不堪。到1941年12月的莫斯科保卫战时，德国空军的兵力已严重不足，其战线也被拉得太长了。当时，在东线战场，德军只能勉强拼凑起1000架可用的飞机，而在这些兵力背后已经没有什么后备力量了。
相反，对苏联人来说，空中战场的态势从1942年年初前后开始转变。当时，亚历山大•亚历山德罗维奇•诺维科夫被任命为苏联空军总司令。他强调要采取切实可行的办法，分析在战争中学到的教训，并把这些经验教训运用到天上的战斗中。在诺维科夫的领导下，苏联空军开始运用德国式的“四指”编队战术。诺维科夫还建立了一套更加实用的组织体系，他将空军部队从直接支援一个个单独的地面集团军的任务中撤出，并将前者编组为机动部署的空军集团军，这些空军集团军每个都下辖1000至1500架飞机，会根据需要分派给特定的方面军（相当于苏联的集团军群），这就让苏军得以集中使用空中力量。诺维科夫还将数个空军军编入大本营预备队，与此同时，苏军防空兵和远程航空兵也维持着独立的兵种地位。大本营预备队中的这些空军军可根据需要分派给特定的部队。尤为重要的是，诺维科夫建立了从中央总部对空中行动进行控制的无线电系统。在指挥和控制领域，苏联空军正在逐步赶上纳粹德国空军。
到1942年，苏联的工业产能开始逐步发力，原先位于苏联西部地区的相当一部分飞机工业此时已被搬迁至乌拉尔地区，该地区位于德军飞机的航程之外。在飞机数量上，苏联已经压倒了纳粹德国；在飞机质量上，苏联空军的新式战斗机（诸如雅克系列）也开始出现在天空中。与此同时，德军飞机（如He 111轰炸机）开始逐渐变得过时了。更重要的是，苏联空军手头上拥有数以千计的后备飞行员，这些飞行员正在接受新式战术训练。尽管苏军空勤人员的素质尚未赶上德国空军的水平，但这些数量庞大的后备飞行员让苏军有能力补充替换人员方面的损失。
斯大林格勒战役中的空中封锁
斯大林格勒战役标志着东线空战的另一个转折点。1942年11月，苏联红军发起了“天王星行动”，突破了斯大林格勒周围的轴心国侧翼防线，最终迫使德国陆军元帅保卢斯指挥的第6集团军投降。在空战中，苏联空军对德军进行了空中封锁，封锁的目的是打消德军的解围意图。众所周知，赫尔曼•戈林向希特勒提出，德国空军可以为第6集团军提供补给，直到该集团军被解围并建立陆上联系为止。不过，苏联空军进攻性的拦截战役严重削弱了德军的空运补给能力，使其降到了包围圈内部队维持下去的最低需求水平以下。
德国空军司令赫尔曼•戈林（左）正在与手下讨论作战事宜
在斯大林格勒战役期间，苏联空军的很多战术都被证明是成功的，其中之一就是建立了“自由猎杀”小组，这是一些小规模的飞机编队，能够搜索并摧毁德军脆弱的空中运输机和轰炸机。在补给被严重削弱后，保卢斯元帅最终在1943年2月率领第6集团军投降。斯大林格勒战役既是地面战争的转折点，也是空中战争的转折点，这是自“不列颠之战”以来，德国空军遭受的第一次大规模失败。