Утром 23 июля, когда перешли в наступление три дивизии генерала Качалова, группы штурмовиков и бомбардировщиков приступили к нанесению ударов по позициям врага. Истребители выполняли две основные задачи: сопровождали ударные группы и прикрывали с воздуха наступающие войска. Естественно, активизировались и части люфтваффе, в результате чего увеличилось число воздушных боев. За день советские летчики доложили о 28 уничтоженных в боях вражеских самолетах. На долю советской штурмовой и бомбардировочной авиации пришлось 49 выведенных из строя танков, 27 артиллерийских орудий и 63 автомобиля. Одновременно продолжали подвергаться бомбардировкам аэродромы противника в прифронтовой полосе. Например, в течение дня 10 Пе-2, 9 Ил-2 и 15 ЛаГГ-3 из 10-й САД (все, что оставалось в авиационной дивизии) совершили по 2–3 вылета против немецких аэродромов Боровское и Шаталово, на бомбежку вражеских войск в районе Починка и прикрытие своих войск в Стодолище. Согласно докладам экипажей 10-й САД, были уничтожены 33 Bf 109 (26 на земле и 7 — в воздухе), 4 танка и 1 автомобиль. Собственные потери составили 8 Пе-2,4 Ил-2 и 1 ЛаГГ-3.
Штурмовики Ил-2 к началу Смоленского сражения уже завоевали всеобщее признание в войсках, однако их эффективность существенно снижали многие недостатки и в первую очередь уязвимость при атаках истребителей сзади сверху. Кроме того, резиновые пневматики колес, наполовину выступавшие в поток из обтекателей на крыле, нередко повреждались огнем противника и служили причиной аварий при посадке. В ходе эксплуатации самолетов с неровных грунтовых аэродромов добавляли беспокойства и непрочные подкосы основных стоек шасси. Из других недостатков нарекания вызывала недостаточная дальность штурмовиков. Обычно Ил-2 действовали в этот период мелкими группами по 3–5 самолетов, выходя в район цели на бреющем полете, а затем делая «горку» перед началом атаки. Их потери от воздействия вражеских истребителей и зенитной артиллерии были достаточно велики, и в среднем одного Ил-2 хватало лишь на 8 боевых вылетов. Так, 61-й ШАП, приступивший к боевым действиям 12 июля, выполнил под Смоленском за две недели 158 самолето-вылетов и из общего количества 29 штурмовиков Ил-2 потерял 24. Из числа личного состава погибли 6 летчиков и еще 6 выбыли по ранению.
Заслужили уважение в боях и двухмоторные бомбардировщики Пе-2, обладающие довольно высокой скоростью полета. 13-й авиаполк на «пешках» в период с 23 по 25 июля воевал на пределе возможностей, выполняя в день по 4–6 боевых вылетов. Многие его экипажи освоили бомбометание с пикирования, существенно повышающее точность попаданий. Известность получил налет Пе-2 из 13-го авиаполка на немецкий аэродром в Смоленске, предпринятый в июле после бомбардировок Москвы. В налете приняли участие две группы бомбардировщиков (9 и 6 машин) под командованием командира полка Богомолова и комэска Григорьева, а также 5 истребителей сопровождения МиГ-3. Чтобы как можно дольше избежать обнаружения, большую часть пути Пе-2 проделали на большой высоте и над своей территорией, что несколько удлинило маршрут полета. Город обозначился столбами дыма, упиравшимися в небо. «Дымка там сгущалась, — вспоминал П.И. Цупко, — и сквозь нее на берегу Днепра за частоколом фабричных труб стали различимы купола многочисленных церквей, красные стены монастырских зданий, темные нагромождения городских кварталов — Смоленск! На холмах, подступавших к городу с севера, шел бой: неровная паутина окопов искрилась выстрелами, вздымалась серо-желтыми фонтанами взрывов — все поле тонуло в пелене дыма. Над пеленой носились стаи самолетов, рвались снаряды». Бомбардировщики обошли город стороной и перед целью перестроились в боевой порядок, вытянувшись цепочкой один за другим. Немцы спохватились, когда «пешки» уже перешли в пикирование, но беспорядочная стрельба зениток уже не могла помешать атаке. Бомбы упали точно среди немецких самолетов, которые в большом количестве стояли в ангарах, на стоянках и даже на рулежных дорожках. По данным разведки, на аэродроме в результате этого налета было уничтожено и повреждено 19 бомбардировщиков люфтваффе и один ангар с боевой техникой. Разгром этого аэродрома довершили группы Ил-2 и СБ, сменившие в воздухе бомбардировщики Пе-2.
Значительная боевая нагрузка 26 и 27 июля пришлась на бомбардировщики авиакорпусов дальнего действия, которые снова действовали днем в условиях слабого прикрытия истребителями и бомбили немецкие колонны с небольших высот. За два дня они совершили 218 самолето-вылетов и понесли тяжелые потери. На свои базы не вернулись 77 самолетов ДБ-3, в том числе 36 были сбиты в течение 26 июля, а остальные — на следующий день. Основная причина — сильный огонь немецкой малокалиберной зенитной артиллерии, для подавления которой не выделялось достаточных сил.