Первые авиаудары по магистрали были нанесены 25–28 августа «Хейнкелями» из KG55 «Грайф». С начала сентября немецкие бомбардировщики стали совершать практически беспрерывные налеты. К примеру, 5 сентября «Юнкерсы» из II./KG76 бомбили станции Харабали, Тамбовка и Хошеутово, нанеся им большие повреждения. В ходе этого вылета пропал без вести Ju-88A командира 5-й эскадрильи гауптмана Рудольфа Шмидта, видимо подбитый зенитным огнем и упавший где-то на советской территории. Вечером 9 сентября бомбежке подверглась железнодорожная станция Богдо, пострадали около 100 человек, загорелись цистерны с нефтепродуктами и бензином. Из-за того, что железнодорожная линия не была прикрыта средствами ПВО, движение составов прекратилось на длительное время.
На участке между станциями Урбах и Эльтон, частью проходящему по территории Казахской ССР, немецкие самолеты-разведчики появлялись иногда до 10 раз за сутки, постоянно контролируя движение поездов. А над станцией Баскунчак группы ближней разведки установили своего рода «дежурство». Рано утром высоко в небе начинал кружить одиночный FW-189. Зенитчики, прикрывавшие станцию, вели отчаянный огонь, но снаряды взрывались значительно ниже самолета. Затем «Рама» улетала, и тотчас ей на смену приходила другая, продолжавшая наблюдение. И как только на станции появлялся эшелон, экипаж по радио сообщал о нем на аэродромы бомбардировочной авиации, и уже вскоре над Баскунчаком появлялись вездесущие «Юнкерсы». Если в момент атаки эшелон находился непосредственно на станции, то первые Ju-88 бомбили выходные пути, блокируя состав, а затем остальные самолеты наносили удар уже по самому поезду.
В приказе по войскам Сталинградского фронта от 8 сентября 1942 года отмечалось:
Налетам подвергались не только сама железная дорога, но и прилегающие населенные пункты. В казахских поселках Орда и Джаныбек в результате авиаударов погибли сотни мирных жителей, были уничтожены практически все дома и хозяйственные постройки. В Джаныбеке от прямого попадания авиабомб полностью сгорел госпиталь, раненые красноармейцы прыгали из окон, пытались спускаться по водосточным трубам, те же, кто не мог ходить, отчаянно ползли подальше от огня, но спаслись далеко не все. Пострадали даже сельскохозяйственные угодья в Казахстане. 12 и 13 сентября германские бомбардировщики сбросили несколько сотен зажигательных бомб разного калибра на поля колхозов «Алгаба» и «Жана Турмыс» Джаныбекского района. В результате сгорели 38 000 гектаров сенокосных угодий и кошары для скота. Местные жители по полдня отсиживались в вырытых щелях и траншеях.
Особенно трудно приходилось железнодорожникам. Из-за того, что днем люфтваффе полностью господствовали в воздухе, они вынуждены были ремонтировать пути ночью, в темноте. Каждый день из строя одновременно выходило множество участков, находящихся на большом расстоянии друг от друга, что сильно затрудняло работу. Людей катастрофически не хватало, поэтому к работам привлекалось местное население, в том числе женщины и дети. Техника и стройматериал также имелись лишь в ограниченном количестве, посему качество ремонта оставляло желать лучшего. Из-за нехватки времени на засыпку воронок железнодорожники восстанавливали пути зигзагами, просто обходя рытвины и ямы, а также скопления сгоревших вагонов и цистерн. Когда холодная сентябрьская ночь заканчивалась, все начиналось сначала.