К 10 октября усилилась авиация Западного фронта, в состав которой включили 1, 34 и 459-й бомбардировочные авиаполки (по 20 самолетов СБ) и 39-ю эскадрилью (14 ТБ-3), заимствованные из ВВС Среднеазиатского военного округа. Для поддержки наземных войск на можайском направлении из авиационных частей Московского военного округа была создана особая группа под командованием полковника НА. Сбытова. В нее вошли 41, 120, 172-й истребительные авиаполки, 65-й и 502-й ШАП, 173-й СБАП и отдельная эскадрилья У-2. За восемь дней экипажи группы выполнили 508 самолето-вылетов на штурмовку наземных целей, а также разбомбили переправы у Калуги, задержав продвижение фантастов на Калугу и Медынь. Потери они несли в основном от зенитного огня, но и эти потери были немалые. Например, только 120-й ИАП лишился в течение недели 8 самолетов.
10 октября выпал первый снег, который вскоре растаял, а затем начался период дождей, значительно снизивший активность авиации обеих сторон. Особенно это касалось люфтваффе, поскольку немецкие летчики были плохо подготовлены к боевым действиям в таких условиях. Грунтовые аэродромы развезло, и взлет с них стал представлять проблему, в первую очередь для истребителей Bf 109, имеющих узкую колею шасси. Хотя немцы постоянно укрепляли и расчищали взлетно-посадочные полосы аэродромов, количество самолето-вылетов JG 51 резко упало и в середине октября составляло лишь около 50 в день. В некоторые дни самолеты вообще не летали из-за плохой погоды, и все это неизбежно сказывалось на темпах немецкого наступления. Тем не менее 14 октября фашисты захватили Калинин, а на центральном направлении рвались к Волоколамску.
Для уничтожения переправ через реку Волга в районе Калинина 15 октября впервые использовались бомбардировщики ТБ-3, переоборудованные в самолеты-снаряды. Они управлялись по радио с помощью системы ТМС (телемеханического самолета), включающей в себя радиоприемники, размещенные в пилотских кабинах ТБ-3 и сблокированные с системой рулевого управления. Все остальное оборудование тяжелых самолетов было демонтировано, чтобы максимально заполнить свободное пространство взрывчаткой. Радиопередатчики устанавливались на ведущих СБ и Ил-4 и позволяли управлять летающими бомбами с расстояния от 50 м до 30 км. Обычно самолеты сопровождения располагались впереди или сзади ТБ-3 с небольшим превышением и на дистанции 150–200 м. Первая попытка применения радиоуправляемых ТБ-3 оказалась удачной, и поэтому через несколько дней подобный воздушный налет был произведен на немецкий склад боеприпасов, расположенный между Вязьмой и Ярцевым. На этот раз точного попадания в цель достигнуть не удалось из-за облачности и плохой видимости.
17 октября для защиты Москвы с северо-запада из войск правого крыла Западного фронта (22, 29, 30 и 31-й армий) был образован Калининский фронт под командованием И.С. Конева. Он угрожал флангу немецкой группы армий «Центр», в результате чего гитлеровское руководство вынуждено было развернуть против него значительные силы, ослабив тем самым наступавшую на столицу основную группировку. ВВС Калининского фронта возглавил генерал-майор Н.К. Трифонов, в распоряжение которого передали 10-й ИАП (17 истребителей МиГ-3), 193-й ИАП (19 ЛаГГ-3) и 132-й ББАП (13 бомбардировщиков Пе-2). К боевым действиям вышеперечисленные полки приступили 27 октября, оттянув на себя около сотни самолетов люфтваффе.
В середине октября немцам удалось, наконец, разгромить окруженные под Вязьмой советские войска, и для наступления на Москву высвободились целых 28 дивизий — главные силы группы армий «Центр». 18 октября после четырехдневных ожесточенных боев пал Можайск, а 23 октября фашисты возобновили наступление на волоколамском направлении. Воспользовавшись временным улучшением погоды, самолеты 2-го воздушного флота люфтваффе почти постоянно находились над полем боя. Прорвав фронт на участке 16-й армии, немецкие войска 27 октября захватили Волоколамск, а в полосе Брянского фронта танки Гудериана 29 октября вышли к Туле. Однако попытка с ходу взять Тулу провалилась, и последующий штурм города также не увенчался успехом. Выигранное ценой больших потерь время позволило советскому командованию организовать эффективную оборону на подступах к Москве, а изрядно поредевшие соединения вермахта и люфтваффе, требование отдыха и пополнения, быстро теряли свой наступательный потенциал.