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.