На фоне спада активности советской авиации немецкий 8-й авиакорпус, наоборот, повысил число своих вылетов вдвое. Немецкие самолеты 1119 раз поднимались в воздух. При этом подавляющая часть их вылетов приходилась на одномоторные и двухмоторные бомбардировщики, а также штурмовики, совершившие соответственно 450, 307 и 147 самолето-вылетов. Немецкие ударные самолеты действовали по сравнению с предыдущим днем намного активнее, в основном группами до 20 машин, пытаясь не допустить расширения фронта прорыва и задержать продвижение наших войск. Организация бомбардировочного удара была достаточно стандартной. Сначала в районе удара появлялись истребители, «прочесывавшие» воздушное пространство, затем корректировщик, который цветными дымами указывал подходящим группам бомбардировщиков район бомбежки. Характеризуя воздушную обстановку, сложившуюся 4 августа, документы 1-й танковой армии отмечали:
Наибольшую активность ударные самолеты 4-го воздушного флота развили в районе Томаровки. Немецкие документы сообщают, что основным объектом атак бомбардировщиков 8-го авиакорпуса стали атаки на советские танковые и моторизованные колонны севернее Томаровки, а также южнее ее в районе опорного пункта Козычево.
В воздушных боях с советской стороны участвовали как истребители 5-го иак 2-й воздушной армии, так и 4-го иак 5-й воздушной армии. Первый крупный бой в районе Томаровки произошел после 11 часов утра, когда 6 Як-7б 728-го иап, ведомые будущим дважды Героем Советского Союза капитаном А. В. Ворожейкиным, а также Ла-5 41-го гв. иап атаковали группы Ju-87.
Наиболее результативным стал бой, проведенный пилотами 728-го иап в районе Томаровки. События этой схватки хорошо описаны в автобиографической книге А. В. Ворожейкина «Над Курской дугой». Оперсводки же 256-й иад свидетельствуют: около 11:15 в районе Томаровки шестерка «яков» атаковала 12 Ju-87, шедших под прикрытием 8 Bf-109. В результате боя на боевой счет А. В. Ворожейкина было записано 3 Ju-87 и два подбитых «сто девятых». Лейтенанты А. И. Карнаухов и Д. В. Аннин подбили по одному «юнкерсу», а младший лейтенант И. Е. Моря, сбивший в этом бою Bf-109, погиб.
Очередное продвижение частей 5-й и 6-й гвардейских армий к Томаровке тут же вызывало активность бомбардировочной авиации 4-го воздушного флота. Один из таких «всплесков» пришелся уже на вечер, когда немцы провели несколько налетов по боевым порядкам армий И. М. Чистякова и А. С. Жадова. Только за полчаса в период с 17:22 до 17:55 группами 91-го и 728-го иап было проведено два воздушных боя с группами из 12 Ju-87 и 9 Ju-88, бомбардировавших наши войска. Патрулировавшие по соседству истребители 5-й воздушной армии, по указанию командира 294-й иад, также зашли в этот район. Однако результаты действий 20 «яков» 183-го и 427-го иап, атаковавших несколько групп Ju-88, были более чем скромными. Часть «юнкерсов» ушла со снижением в дымку, в то время как «мессершмитты» завязали бой с подошедшими «яками». В итоге лишь младший лейтенант Гаврилин заявил об уничтожении одного Ju-88. Завершающим аккордом дня стал бой 6 Як-7б 728-го иап, ведомых снова капитаном A. B. Ворожейкиным, с большой группой из 28 He-111, в районе Борисовки. По его результатам пилотам группы было записано 4 уничтоженных He-111.
Юго-восточнее тяжелые бои вели экипажи 10-го иак, прикрывавшие войска генерала А. С. Жадова в районе Козычево. В ходе всего двух воздушных схваток группы 235-й иад потеряли 7 самолетов. 10 Ла-5 3-го гв. иап под командованием старшего лейтенанта М. И. Мудрова провели воздушный бой с двумя шестерками Ju-88. Бомбардировка второй группой «юнкерсов» была сорвана, хотя ни одного немецкого бомбардировщика сбить не удалось, а из боевого вылета не вернулись три наших истребителя. В это же время воздушный бой с 20 Ju-88, прикрытых большим количеством «мессершмиттов», вела дюжина Ла-5 из 239-го иап. На счет старшины А. Б. Амарова были записаны Ju-88 и Bf-109, однако потери нашей группы составили 4 самолета. Отметим, что потери 3-го гв. и 239-го иап за день составили соответственно 7 и 8 самолетов.