В ночь на 30 августа первыми приступили к выполнению боевой задачи 23 бомбардировщика ТБ-3, а с рассвета и до полудня в боях приняли участие уже 320 советских самолетов. Вторая волна из 70 машин атаковала немецкие войска приблизительно в 14 часов, третья (140 самолетов) — в 16 часов, а следующая, четвертая волна, совершила налет уже ближе к вечеру. В промежутках противнику не давали покоя отдельные группы штурмовиков и бомбардировщиков. Всего в течение операции советские ВВС выполнили более 4000 самолето-вылетов и уничтожили, по советским данным, около 100 танков, более 800 автомобилей, 180–290 повозок, 20 бронемашин и значительное число живой силы врага. В воздушных боях было сбито 55 немецких самолетов при собственных потерях 42.
Возросла эффективность советских истребителей, пилоты которых уже приобрели немалый боевой опыт. Так, НА. Козлов отмечал: «Постепенно у нас вырабатывалась своя тактика. Прикрывая наземные войска, мы находились не над своими войсками, а над противником. Делалось это по двум причинам. Во-первых, мы лишали гитлеровцев возможности, уходя от нас, сбросить бомбовый груз на позиции наших войск. Во-вторых, если вражеская авиация на поле боя отсутствовала или была изгнана, мы перед окончанием патрулирования производили штурмовые атаки по наземным войскам противника, стараясь поразить хорошо видимые с воздуха его артиллерийские и минометные батареи. Мы оставляли на обратный путь лишь десятка полтора патронов. Авиационные бомбы сбрасывали на вражеские позиции сразу же, как только прилетали в район патрулирования. Затем уже приступали к выполнению главной задачи — прикрывали свои войска. Убедившись, что подходит смена, мы пикировали на позиции противника и затем на малой высоте уходили на свой аэродром».
Все чаще стало доставаться в воздушных схватках «экспертам» люфтваффе. 25 августа в бою над Ельней погиб командир группы I/JG 51 гауптман Герман Йоппиен, четвертый на этот момент по результативности немецкий пилот, имевший на счету 70 воздушных побед. Через несколько дней его результат превзошел командир эскадрильи 12./JG 51 Гейнц Бэр, записавший на свой счет 80 сбитых самолетов. Но и ему вскоре не повезло. 31 августа, во время прикрытия с воздуха танков Гудериана, его «мессершмитт» был подбит и совершил вынужденную посадку на советской территории. Бэр получил травму позвоночника, но тем не менее сумел перебраться через линию фронта, после чего на пару месяцев отправился в госпиталь.
Хотя советские летчики приложили немало усилий для разгрома врага, в целом операция против 2-й танковой группы Гудериана не принесла ожидаемых результатов, в основном из-за плохой организации контрударов советских войск и отсутствия необходимого количества артиллерии и танков. 24-й немецкий танковый корпус лишь ненадолго приостановил наступление, но уже в первых числах сентября двинулся вперед, форсировал Десну и двинулся в южном направлении, развивая удар во фланг и тыл Юго-Западному фронту. С востока, со стороны Брянского фронта, его прикрыли 47-й моторизованный и 12-й армейский корпуса вермахта. В дальнейшем это имело фатальные последствия для пяти советских армий, сражающихся восточнее Киева.
В сентябре из-за значительных потерь и необходимости поддержки сухопутных сил вермахта немцы уменьшили число воздушных налетов на Москву. Особенно сильно оказались потрепанными эскадры KG 53 и KG 55, и их пришлось отводить в тыл на переформирование. Взамен из Западной Европы прибыли четыре свежие группы бомбардировщиков, включенные в состав 2-го воздушного флота. Ночные воздушные атаки стали проводиться одиночными самолетами и мелкими группами, следующими к городу с разных направлений и на разных высотах в течение нескольких часов с интервалом 2–3 мин. Такие налеты носили беспокоящий характер и имели целью измотать подразделения ПВО, нарушить работу транспорта и заводов, а также оказать негативное моральное воздействие на московское население. Всего в течение сентября было выполнено 11 налетов на Москву, но к городу прорвался только 51 самолет (2,5 % от общего количества 1998 самолето-пролетов в границах 1-го корпуса ПВО).