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.

Хотя контрудары советских войск в районах Ярцево, Белого и Рославля не достигли значительного успеха, но они несколько облегчили положение 16-й и 20-й армий, сражавшихся под Смоленском. 29 июля эти армии получили приказ об отходе и по Старой Смоленской дороге двинулись в сторону переправ через Днепр. Для тяжелой техники предназначалась переправа у села Соловьева, и над ней ежедневно шли воздушные бои. Район Ярцева и Соловьевой переправы находился в сфере действий 401-го ИАП, пилоты которого в светлое время суток почти постоянно находились в воздухе. Отдыхали они в кабинах своих истребителей только во время заправки и пополнения боеприпасов. Некоторые из них в изнеможении засыпали, и, чтобы быстро привести их в чувство перед боевым вылетом, врач обходил стоянки самолетов с ватой, смоченной нашатырным спиртом. В один из таких дней звено МиГ-3 в составе командира 401-го полка Коккинаки, комиссара Погребняка и ст. лейтенанта Кубышкина разогнало большую группу «юнкерсов», заставив их сбросить бомбы, не доходя до цели. В очередном вылете Коккинаки действовал вместе с летчиками Ященко и Барышниковым, и после тяжелого боя самолеты Коккинаки и Ященко оказались подбиты, а Барышников погиб. На следующий день летчики-испытатели сбили один Do 17, а потом силами поредевшего полка провели бой с группой «мессершмиттов», уничтожив два истребителя. С советской стороны был сильно поврежден один МиГ-3, а пилот другого самолета получил ранение в руку. Среди испытателей отличился ст. лейтенант А Г. Кубышкин, который в июле — августе в 32 воздушных боях сбил два фашистских самолета лично и четыре — в группе.

Всего по советским данным, за период с 10 по 30 июля советские ВВС выполнили в Смоленском сражении 5200 самолето-вылетов и уничтожили до 200 немецких самолетов.

24 июля на левом крыле Западного фронта был образован Центральный фронт, в который вошли 13-я и 21 — я общевойсковые армии (с 1 августа — также 3-я армия) и 11-я и 28-я смешанные и 13-я бомбардировочная авиадивизии. ВВС Центрального фронта возглавил генерал Г.А. Ворожейкин.

К концу июля уже стало ясно, что немецкое «молниеносное» наступление на Москву полностью провалилось, так как измотанным в боях частям вермахта требовались передышка и пополнение. 30 июля мощнейшая немецкая группировка войск на центральном направлении впервые временно перешла к обороне. В начале августа 1941 года советские войска Западного, Резервного и Центрального фронтов как бы охватывали полукругом немецкую группу армий «Центр» и, чтобы перехватить инициативу в ведении боевых действий, Ставка ВГК отдала приказ разгромить передовые соединения противника в районах Ельни и Духовщины. Однако немцы первыми начали наступление 8 августа, развернув 2-ю танковую группу Гудериана и 2-ю полевую армию на юг с целью обезопасить свой правый фланг. Центральный фронт не успел отразить удар, и танки Гудериана, прорвав советскую оборону в полосе 13-й армии, за две недели продвинулись вперед на 120–140 км, выйдя на рубеж Новозыбков — Стародуб. Одновременно 2-я армия вермахта, наступавшая на гомельском направлении, поставила под угрозу окружения советскую 21-ю армию, которая вынуждена была оставить свои позиции и с боями отошла на юг. Отступили по приказу Ставки ВГК также оставшиеся 3-я и 13-я армии, и таким образом центральный фронт по существу прекратил существование. А чтобы залатать брешь между Резервным и Юго-Западным фронтами, пришлось спешно создавать новый Брянский фронт под командованием АИ. Еременко. Во главе ВВС Брянского фронта поставили генерала Ф.П. Полынина. В его распоряжение поступили 11, 60 и 61-я САД и 24-й БАП. Всего, без учета армейской авиации, ВВС Брянского фронта насчитывали 138 исправных самолетов (30 МиГ-3, 35 Як-1, 9 И-16, 9 Ил-2, 33 СБ и 22 Пе-2).