Таким образом, в ноябре советская авиация под Москвой уже обладала явным численным преимуществом, особенно в истребителях, что вскоре отразилось на результатах наземных сражений. Немецкое превосходство в танках и артиллерии на этот раз не имело решающего значения, чему способствовало не только наступление холодов, но и новые методы ведения войны Красной армией. Все транспортные магистрали и важнейшие дороги на Москву были перекрыты советскими войсками, и немцам пришлось наступать по целине, утопая то в грязи, то в снегу. Суточное их продвижение в лучшем случае составляло 4–5 км, что шло вразрез со всей теорией «блицкрига». К таким боевым действиям немцы не привыкли — поистине прежняя война в Европе стала казаться им веселой прогулкой.
В 70-км полосе обороны 30-й армии немцы одновременно ввели в бой около 300 танков и ценой значительных потерь к исходу 17 ноября прорвали фронт, расчленив 30-ю армию на три части, и двинулись в направлении на Клин и Солнечногорск. На участке 16-й армии в районе Волоколамска разгорелись бои не меньшей силы, поскольку в составе 4-й танковой группы Гепнера имелось 400 танков и 1030 артиллерийских орудий. Однако благодаря подготовленной, глубоко эшелонированной обороне сильно уступающая врагу в количестве боевой техники 16-я армия смогла отступить в полном порядке и даже попыталась правым флангом нанести контрудар в тыл группировке Гепнера. Этот контрудар был приостановлен лишь потому, что потребовалось сконцентрировать войска для помощи 30-й армии, в целях упрощения управления переданной из Калининского в состав Западного фронта.
Из-за сдвинутых по времени немецких наземных ударов появилась возможность перебрасывать части люфтваффе с одного участка фронта на другой и таким образом захватывать временное господство в воздухе над главными районами боевых действий. Перед началом наступления немецкие бомбардировщики обычно совершали налеты на тыловые объекты и резервы советских войск, а после артиллерийской подготовки начинали обрабатывать передний край, и особенно эффективны при этом были пикирующие Ju 87. Выстроившись в круг, они один за другим устремлялись вниз, сбрасывая свой смертоносный груз. Основные аэродромы базирования немецких истребителей из состава JG 51 находились в начале ноября в Орле, Малоярославце, Можайске и Ермолино, но поблизости от линии фронта спешно оборудовались аэродромы «подскока», значительно повышавшие радиус действий одномоторных самолетов. Как правило, для нанесения бомбовых ударов по наземным войскам немцы использовали группы по 15–25 самолетов.
Определив направление главных ударов противника, советское командование тоже массированно задействовало в боях авиацию. Причем по количеству боевых вылетов советские ВВС вскоре намного превзошли люфтваффе. Днем и ночью советские самолеты наносили удары по врагу. Днем немецкие колонны, продвигавшиеся по снегу, подвергались атакам бомбардировщиков и штурмовиков, а ночью против них действовали легкие бипланы У-2, И-15бис и Р-5, использующие мелкие фугасные и зажигательные бомбы. Не прекращались порой полеты и в плохую погоду при низкой облачности, когда советские бомбардировщики летали без истребительного сопровождения и с высоты 150–300 метров засыпали немецкую пехоту кассетными осколочными и зажигательными бомбами. Очень эффективно бомбардировщики действовали вместе со штурмовиками. В этом случае вначале цель атаковали бомбардировщики, а после них через 3–5 минут появлялись штурмовики, когда противник уже был полностью дезорганизован и не мог оказать серьезного сопротивления.
Все же частые метели и снегопады сильно затрудняли боевую деятельность авиации, что было на руку гитлеровцам. Юго-восточнее Тулы 18 ноября танковые соединения Гудериана прорвали фронт и через семь дней подошли к Веневу и Кашире. Для поддержки с воздуха 50-й армии в районе Тулы была спешно сформирована дополнительная авиагруппа под командованием полковника Щербакова, а для действий против немецких войск, наступавших на Михайлов, привлекли новую резервную группу генерала Г.П. Кравченко (40 самолетов). Наиболее опасная ситуация сложилась севернее Москвы, где немцы ввели в прорыв между смежными флангами 16-й и 30-й армий свежие силы и после трехдневных, упорных боев захватили 22 ноября Клин, а через два дня ворвались в Солнечногорск. 29 ноября частям 7-й танковой дивизии вермахта удалось переправиться на другой берег канала Москва — Волга через захваченный диверсантами мост у Яхромы, но здесь уже были сосредоточены передовые соединения 1-й ударной армии, отбросившие фашистов обратно за канал. Для прикрытия с воздуха районов сосредоточения резервных войск 1-й ударной и 20-й армий использовалась вновь сформированная авиагруппа заместителя командующего ВВС генерала И.Ф. Петрова (165 самолетов), ежедневно выполнявшая 150–180 самолетовылетов. Стремясь из последних усилий взять Москву, немецкое командование 1 декабря ввело в бой оставшиеся резервы. Двигаясь вдоль Рогачевского шоссе, немцы захватили населенные пункты Крюково и Красную поляну, откуда до столицы оставалось всего лишь 27 км. Однако здесь обескровленные соединения вермахта столкнулись с настолько мощным сопротивлением советских войск, которое преодолеть уже не смогли. Сильно активизировалась и советская авиация. Вспоминая сражения на рубеже Клушино, Крюково, К.К. Рокоссовский, впоследствии Маршал Советского Союза, писал: «В этом бою приняла участие и наша авиация. Впервые с начала войны мне пришлось увидеть такое сравнительно большое количество наших самолетов. Действовали они весьма активно… появление в небе наших истребителей, штурмовиков и бомбардировщиков воодушевляло войска».
Всего за время ноябрьского и декабрьского немецкого наступления под Москвой советская авиация трех фронтов совершила в течение 20 дней более 15 840 самолето-вылетов, что почти в 5 раз превосходило аналогичный показатель люфтваффе. Впервые советские ВВС смогли завоевать господство в воздухе, и этому способствовал целый ряд причин. В конце ноября изменилась организационная структура ВВС Западного фронта, поскольку из состава общевойсковых армий, наконец, изъяли большую часть авиации. Для действий в интересах армий были оставлены только легкобомбардировочные полки, вооруженные самолетами У-2, Р-5 и Р-зет. На 30 ноября ВВС Западного фронта насчитывали 181 самолет (81 истребитель, 80 бомбардировщиков и 20 самолетов-штурмовиков) в составе пяти авиационных дивизий. Располагались авиаполки Западного фронта на подмосковных аэродромах авиации ПВО, размещенных в зонах, хорошо прикрытых зенитной артиллерией. Нередко на одном аэродроме находились по 2–3 полка, что упрощало их взаимодействие в случае необходимости. Немецкие же аэродромы постоянно подвергались воздушным налетам, и в первую очередь передовые аэродромы, на которых базировались истребители люфтваффе. Так, из-за советских атак с воздуха немцы вынуждены были оставить аэродром Ватулино, а также Клин, где в результате налетов было уничтожено до двух десятков вражеских самолетов. А всего за период отражения ноябрьского наступления противника советская авиация уничтожила, по нашим данным, 177 немецких самолетов в воздухе и 135 — на земле. Из-за отдаленных мест базирования немецкие истребители стали появляться над полем боя гораздо реже, и естественно, это сократило и число дневных вылетов бомбардировщиков люфтваффе. В конце ноября немецкие самолеты зачастую уже действовали мелкими группами и даже в одиночку.
В связи с резким сокращением количества воздушных боев советские истребители стали массово привлекаться для штурмовки вражеских войск. Например, с 28 по 30 ноября истребители 6-го авиакорпуса ПВО и ВВС Московского военного округа совершили 370 самолето-вылетов против наземных целей и, по докладам пилотов, бомбами и ракетами уничтожили 77 единиц бронетехники и 263 автомобиля. В период с 20 по 30 ноября в районе Солнечногорска активно действовали ВВС Калининского фронта, усиленные 5-м истребительным авиаполком (20 ЛаГГ-3) и 569-м штурмовым (20 Ил-2). Если позволяла погода, бомбардировщики и штурмовики выполняли по 3 вылета ежедневно, а истребители — по 4.
К 6 декабря, когда началось советское контрнаступление под Москвой, немецкие войска были сильно ослаблены, лишившись в боях большого количества боевой техники. Тем не менее в составе 2-го воздушного флота все еще имелось около 600 боеспособных самолетов, но они не оказали серьезного сопротивления наступавшим. По количеству боевых вылетов в декабре люфтваффе уступали советским ВВС примерно в 10 раз.
Советская авиация трех фронтов, авиационные соединения Московского военного округа и 6-го ИАК, а также силы ДБА и две резервные группы насчитывали к началу контрнаступления почти 1200 самолетов. Улучшилось снабжение авиационных частей: фронтовые авиасклады располагали запасами горючего, боеприпасов и продовольствия на 20 суток боевых действий. Для увеличения количества боевых вылетов на удалении 25–30 км от линии фронта заранее были подготовлены аэродромы засад для истребителей и подскока для штурмовиков. Кроме того, как отмечал в своем труде «Война в воздухе» немецкий подполковник Греффат: «…Как командование, так и летный состав русской авиации стали гораздо опытнее. Бросалось в глаза стремление русских к сосредоточению своих сил, а также к их более организованному тактическому применению. Русские старались сосредоточить как можно больше авиации в таких районах, где они имели возможность, опираясь на достаточные запасы горючего, добиться определенного успеха в борьбе с более малочисленными соединениями немецкой авиации».