Первой под атаку истребителей люфтваффе попала шестерка СБ под командованием капитана Иванова из 5-й эскадрильи 73-го БАП. В скоротечной схватке немцы сбили из ее состава 4 самолета. Две остальные группы 73-го БАП (5 СБ ст. лейтенанта Косова и 8 Ар-2 под командованием капитана Сыромятникова) сумели в это время проскочить среди облаков незамеченными на большей высоте и без помех сбросили бомбы. Зато девятка ДБ-3 и ДБ-ЗФ из 57-го БАП, ведомая капитаном Хроленко, притянула к себе значительные силы врага. С разных сторон на нее набросились сразу две эскадрильи «мессершмиттов». Однако до цели было недалеко, и группа продолжала держаться боевого курса, ощетинившись огнем из всех пулеметов. Когда бомбы посыпались вниз на немецкие войска, в строю бомбардировщиков осталось только пять изрешеченных машин с ранеными и убитыми членами экипажей на борту. Нырнув в облака, они сумели уйти от преследования. Еще одна группа из 57-го БАП (состоявшая из шести самолетов под командованием капитана Чемоданова) заблудилась, попав в полосу дождя, и вернулась назад, не обнаружив цели.
Второй этап советского воздушного налета начался приблизительно через час, когда к району цели подошли бомбардировщики ДБ-3 и ДБ-ЗФ из 1-го минно-торпедного авиаполка КБФ. К этому времени задействованные в предыдущих боях немецкие истребители улетели пополнить топливо и боеприпасы, но в воздухе их сменили новые эскадрильи люфтваффе, пилоты которых жаждали поучаствовать в расправе над бомбардировщиками противника. Вновь небо заполнилось гулом моторов и треском пулеметных очередей.
Шестерка самолетов под командованием капитана Гречишникова сразу потеряла две машины (одна была сбита прямым попаданием зенитного снаряда) и ушла в облака. Группа рассыпалась в условиях плохой видимости, и далее летчики действовали самостоятельно, время от времени подвергаясь вражеским атакам. Тяжелые повреждения получили еще три бомбардировщика — два из них на обратном пути совершили вынужденную посадку «на живот».
Особого внимания заслуживает группа капитана Челнокова, включавшая в себя девять ДБ-ЗФ. Именно она оказала наибольшее сопротивление врагу и нанесла ему существенные потери. Первые внезапные атаки «мессершмиттов» стрелки отбили дружным пулеметным огнем, заявив впоследствии о семи воздушных победах. При этом группа полностью сохранила свой строй, распавшийся только над целью в результате сильного зенитного огня. В этот момент немцам удалось уничтожить четыре советских самолета. Ведущий группы Н.В. Челноков впоследствии вспоминал: «С одного захода они выбили из строя четыре наших самолета. Машина Абраменко взорвалась в воздухе. По всей видимости, пуля или снаряд от пушки попал во взрыватель бомбы. Копылов, наверное, был убит сразу, так как его самолет задрался носом вверх, затем свалился на крыло и упал на землю. Самолет Новицкого фашисты подожгли, но летчик сумел перетянуть через Западную Двину и сел на своей территории…». Четвертый потерянный ДБ-ЗФ пилотировал молодой летчик мл. лейтенант П.С. Игашев. В истории он остался единственным пилотом бомбардировщика, совершившим двойной таран воздушной и наземной цели. Его самолет атаковали одновременно три Bf 109 и, хотя экипаж отчаянно отстреливался, сумели зажечь бомбардировщик. Однако, не выходя из строя, горящий ДБ-ЗФ продолжал вести бой. А когда один из «мессершмиттов» попытался добить его и, не рассчитав, случайно выскочил вперед, летчик неожиданно пошел на таран. Очевидец этого боя А.Я. Ефремов вспоминал: «На подходе к цели бомбардировщик Игашева был атакован звеном истребителей Bf 109, и тем не менее его экипаж не дрогнул, смело вступил в неравный бой. В этом бою штурман Д.Г. Парфенов, стрелок-радист А.М. Хохлачев и воздушный стрелок В.Л. Новиков сбили два фашистских истребителя (по другим источникам — только один. —
Третья группа 1-го МТАП под командованием капитана Плоткина вступила в воздушный бой тогда, когда уже возвратились ранее улетевшие немецкие истребители, и, вероятно, поэтому понесла самые тяжелые потери. Во время первой же вражеской атаки ее боевой порядок нарушился, и все летчики сражались преимущественно поодиночке. В итоге из девяти бомбардировщиков Плоткина назад вернулись только три. Четвертая группа появилась на полчаса позднее и потеряла в воздушной схватке всего один самолет.