Боевые действия воздушной армии начались 4 сентября силами наиболее боеспособных к тому времени 228-й шад и 220-й иад. Остальные авиасоединения и части вводились в бой позднее (291-я шад — на другой день, 283-я иад — 8 сентября и полки ночников — 10–12 сентября).
Основной удар 4 сентября был нанесен штурмовиками по живой силе и боевой технике противника в районах Воропоново, Кузьмичи, свх. Опытная станция. Особенно отличились при этом группы, ведомые командирами 688-го и 783-го шап майорами К. В. Яровым и Н. Н. Чихаленко. Штурмовиков прикрывали истребители 220-й иад. Всего в течение дня частями армии было выполнено 127 самолето-вылетов, проведено 13 воздушных боев, сбито 12 самолетов противника. Авиации удалось уничтожить и вывести из строя 30 танков и 40 автомашин.
В последующие дни воздушная армия, содействуя войскам фронта, наносила штурмовые удары по живой силе и танкам противника, сосредоточенным северо-западнее Сталинграда в районах Кузьмичи, Древний Вал, разъезд Конный.
За период 5–8 сентября летчики армии произвели 688 самолето-вылетов, из них свыше половины на уничтожение живой силы и техники противника, провели 21 воздушный бой, сбили 21 вражеский самолет. Летчики 283-й иад 8 сентября приступили к прикрытию войск фронта, аэродромов, тыловых объектов и города Камышина.
Бои в эти трудные дни для только что созданной 16-й воздушной армии были серьезным испытанием. Летный состав армии выдержал это испытание и продемонстрировал в боях с превосходящими силами вражеской авиации беспредельное мужество и зрелое мастерство.
Командир 237-го иап майор А. Б. Исаев только за первые дни боев сбил 5 самолетов противника.
7 сентября семерка штурмовиков во главе с командиром эскадрильи капитаном П. С. Виноградовым наносила удар по танкам и мотопехоте врага на поле боя. Во время атаки группа была обстреляна сильным огнем зенитной артиллерии и атакована четверкой истребителей Ме-109. Виноградов сумел быстро развернуться на противника и на глазах наших пехотинцев мощным пулеметно-пушечным огнем сбил два вражеских самолета. Вторая пара фашистских истребителей поспешно скрылась. Виноградов был ранен, самолет его поврежден, но он привел свою группу на аэродром. За умелые действия в бою и проявленный при этом героизм капитан П. С. Виноградов был награжден орденом Ленина. Приказом Наркома обороны ему было присвоено звание подполковника. Отважный летчик вскоре вступил в командование 694-м штурмовым авиаполком.
