В первые дни сражения за Москву крупные схватки в воздухе происходили относительно редко, так как обе стороны накапливали силы и вели разведку позиций противника. Немцы спешно перебрасывали свои истребительные части на передовые аэродромы, захваченные сухопутными войсками вермахта. Их снабжение в целях экономии времени осуществлялось в основном по воздуху. Советское командование тоже занималось усилением своих фронтовых ВВС. Так, для действий против 2-й танковой группы Гудериана на мценский аэродромный узел перебазировались пять истребительных полков, образовавших б-ю резервную группу. Транспортные самолеты и часть сил дальнебомбардировочной авиации были привлечены для перевозки в район Мценска солдат будущего 1-го стрелкового корпуса и различного военного снаряжения. За три дня они перевезли около 5500 солдат и почти 13 т боеприпасов.

С другой стороны, деятельность советских фронтовых ВВС существенно осложнил быстрый отход войск Красной армии, вынуждавший авиационные части к постоянной смене аэродромов. Особенно это касалось Брянского фронта, для поддержки которого выделили все пять авиадивизий ДБА. Дальние бомбардировщики совершали как ночные, так и дневные боевые вылеты. Уже 1 октября они бомбили узловые железнодорожные станции противника и механизированные колонны группы Гудериана на дороге Севск— Орел. В этот день активизировались и немецкие пикирующие бомбардировщики II авиационного корпуса генерала Лоерцера, не летавшие 30-го сентября из-за плохой погоды. Одним из главных их достижений стало нарушение связи между Генеральным штабом Красной армии и штабами 3-й и 13-й армий Брянского фронта. Для этого бомбардировщики наносили удары в первую очередь по командным пунктам и использовали для разрушения хорошо укрепленных блиндажей бомбы весом до 1 000 кг. 2 октября включился в боевые действия и VIII немецкий авиакорпус, поддерживающий наступление 3-й танковой группы Гота. С советской стороны для штурмового удара по соединениям Гота, двигавшимся в направлении города Белый, была собрана сводная группа МВО из 40 двухмоторных истребителей Пе-3 из 95-го ИАП и 60 МиГ-3, И-16 и И-153 из состава 27-го и 120-го полков. Район атаки находился за пределами радиуса действий одномоторных самолетов, и поэтому пришлось использовать аэродром «подскока» неподалеку от Ржева, где истребители дозаправили и подвесили к ним бомбы и «эрэсы». Налет советских истребителей продолжался около 30 минут, пока летчики не расстреляли все патроны, и оказался неожиданным для немцев. Согласно докладам на земле были уничтожены 40 автомобилей с грузами и несколько десятков единиц орудий и бронетехники. В воздушных боях были сбиты три Bf 109 — асы люфтваффе не особенно рвались ввязываться в сражение при таком численном превосходстве противника.

В начале октября по инициативе командующего московским военным округом полковника Н/А. Сбытова существенно изменились методы ведения воздушной разведки западнее Москвы. «Анализируя полеты разведчиков противника за несколько дней августа, — вспоминал Сбытов, — мы установили, что они систематически производят фотографирование дорог, проходящих через Волоколамск, Можайск и Малоярославец на Москву. Никаких сомнений не было: враг готовится к операциям в этих направлениях. Доложили об этом командованию войсками округа. Сделав вывод о близкой опасности, решили организовать воздушное наблюдение за дорогами к западу от столицы. На каждую из магистралей, по которым враг мог выдвинуться к Москве, мы назначили по истребительному авиационному полку, который и вел непрерывную разведку вдоль закрепленной за ним дороги. Командование полков каждые два часа докладывало данные разведки в штаб ВВС округа. Здесь они быстро обобщались и перепроверялись начальником штаба полковником Н.В. Вороновым, а затем докладывались дежурному Генерального штаба и командованию войсками округа. Командиры полков, в свою очередь, закрепили за отдельными участками дорог эскадрильи, так что у каждого подразделения была «своя» дорога».

Эффективность воздушной разведки резко повысилась, и у бомбардировщиков и штурмовиков недостатка в целях не ощущалось. Гейнц Гудериан так вспоминал об интенсивности советских бомбардировок 5 октября: «В этот день я получил довольно внушительное представление об активности русской авиации. Сразу же после моего приземления на аэродроме в Севске произошел налет русской авиации на этот аэродром, где находилось до 20 немецких истребителей. Затем авиация противника бомбила штаб корпуса, в результате чего в комнате, где мы находились, вылетели оконные стекла. Затем я направился к дороге, по которой продвигалась 3-я танковая дивизия. Здесь мы также подверглись неоднократной бомбежке со стороны русских бомбардировщиков, которые летали группами в 3–6 самолетов на большой высоте и причиняли поэтому незначительный урон. На 6 октября воздушный флот обещал нам усилить прикрытие истребителями, и поэтому можно было рассчитывать на улучшение положения».

Точность попаданий советских дальних бомбардировщиков действительно оставляла желать лучшего, и гораздо эффективнее по движущимся целям действовали штурмовики Ил-2, которых катастрофически не хватало на фронте. Многие поврежденные штурмовики простаивали на аэродромах из-за отсутствия запасных частей, поставлявшихся в явно недостаточном количестве. С перебоями доставлялись также бомбы и другие боеприпасы.

5 октября в ясный солнечный день воздушная разведка обнаружила продвижение 4-й немецкой танковой группы к Юхнову. Длинную колонну танков и мотопехоты, растянувшуюся на 25 км на шоссе Спас — Демьянск — Юхнов, первыми заметили летчики 120-го ИАП и немедленно доложили об этом командованию, не поверившему вначале, что немцы прорвали фронт уже на глубину до 120 км. Для проверки сведений командующий ВВС МВО отправил опытный экипаж на Пе-2, который подтвердил, что немцы находятся уже в 200 км от Москвы. Гитлеровцы стремились отрезать советскую группировку войск в районе Вязьмы и одновременно нанести неожиданный удар в направлении столицы СССР. Сложилась критическая ситуация, поскольку на их пути к Москве никаких крупных воинских соединений уже не было. Под Юхновым оборону держали всего два батальона, прикрывавших эвакуацию имущества и населения. Вскоре остатки этих подразделений отошли, взорвав мост через Угру.

Ставка ВГК также восприняла данные воздушной разведки с недоверием, и даже возникло подозрение о роспуске провокационных слухов. Из-за этого в течение 5 октября никаких мер для задержки немецкого наступления принято не было, и лишь утром на следующий день, когда немцы уже заняли Юхнов, им навстречу стали спешно выдвигаться бойцы вспомогательных частей и курсанты военных училищ. Они должны были выиграть время, пока на рубеже Волоколамск — Можайск — Малоярославец — Калуга срочно создавалась новая линия обороны.

В утренние часы 6 октября погода была нелетной из-за плотного тумана над землей, когда поступил приказ о нанесении воздушных ударов по прорвавшимся к Юхнову войскам противника. Скоростные боевые самолеты не могли действовать в таких условиях, поэтому поступило предложение использовать вначале для налетов легкомоторную авиацию. В составе ВВС МВО к этому времени имелся 606-й бомбардировочный авиаполк под командованием полковника Н.С. Виноградова, сформированный на базе Ярославской школы стрелков-бомбардиров и оснащенный 27 самолетами Р-5 и 10 Р-зет. Кроме того, из Егорьевского военного училища была заимствована эскадрилья устаревших истребителей И-15бис, а для ночных бомбардировок создана особая эскадрилья на У-2 под командованием капитана М.С. Кошелева.