Гитлер, посовещавшись с руководством люфтваффе, принял решение наладить снабжение окружённых войск воздушным транспортом. Подобная операция уже производилась германскими авиаторами, снабжавшими войска в Демянском котле. Для поддержания приемлемой боеспособности окружённых подразделений требовались ежедневные поставки 700 тонн грузов. Люфтваффе обещало обеспечить суточные поставки в 300 т. Грузы доставлялись на аэродромы: Большая Россошка, Басаргино, Гумрак, Воропоново и Питомник – крупнейший в кольце. Обратными рейсами вывозились тяжело раненые. При удачных обстоятельствах германцам удавалось совершать более 100 рейсов в сутки к окружённым войскам. Основными базами для снабжения блокированных войск были Тацинская, Морозовск, Тормосин и Богоявленская. Но по мере продвижения на запад советских войск германцам пришлось перемещать базы снабжения всё дальше от войск Паулюса: в Зверево, Шахты, Каменск-Шахтинский, Новочеркасск, Мечётинская и Сальск. На последнем этапе использовались аэродромы в Артёмовске, Горловке, Макеевке и Сталино.

С авиасообщением активно боролись советские войска. Бомбардировкам и штурмовкам подвергались как аэродромы снабжения, так и расположенные на окружённой территории. Для борьбы с самолётами противника советская авиация применяла патрулирование, дежурство на аэродроме и свободную охоту. В начале декабря организованная советскими войсками система борьбы с воздушными перевозками противника основывалась на разделении по зонам ответственности. К первой зоне относились территории, с которых происходило снабжение окружённой группировки, здесь действовали части 17 и 8 ВА. Вторая зона располагалась вокруг войск Паулюса над территорией, контролируемой Красной армией. В ней было создано два пояса радиостанций наведения, сама зона делилась на 5 секторов, по одной истребительной авиадивизии в каждом (102 ИАД ПВО и дивизии 8-й и 16 ВА). Третья зона, где располагалась зенитная артиллерия, также окружала блокированную группировку. Она была 15-30 км глубиной, и на конец декабря в ней находилось 235 орудий малого и среднего калибра и 241 зенитный пулемёт. Местность, занятая окружённой группировкой, относилась к четвёртой зоне, где действовали части 8, 16 ВА и ночной полк дивизии ПВО.  Для противодействия ночным полётам под Сталинградом применялись одни из первых советских самолётов с бортовой РЛС, впоследствии запущенной в серийное производство.

В связи с усиливавшимся противодействием советских ВВС германцам пришлось перейти от полётов днём к полётам в сложных метеорологических условиях и ночью, когда было больше шансов совершить рейс незамеченным. 10 января 1943 года началась операция по уничтожению окружённой группировки, в результате чего 14 января оборонявшимися был оставлен основной аэродром Питомник, а 21-го и последний аэродром — Гумрак, после чего грузы сбрасывали на парашютах. Ещё несколько дней действовала посадочная площадка у посёлка Сталинградский, но она была доступна лишь небольшим самолётам; 26-го посадка и на неё стала невозможна. За период снабжения по воздуху окружённных войск в среднем доставлялось 94 т грузов в сутки. В наиболее удачные дни значение доходило до 150 т грузов. Ганс Дёрр оценивает потери Люфтваффе в этой операции в 488 самолётов и 1000 человек лётного состава и считает, что это были самые большие потери со времён воздушной операции против Англии.