К лету 1943 года советское командование готовилось к решающей летне-осенней кампании. При этом придавалось исключительно большое значение завершению борьбы за стратегическое господство в воздухе. Уже зная о начале подготовки немецкого наступления в районе Курска, было принято решение о проведении крупной воздушной операции ВВС на широком фронте.
Решение на проведение операции Ставкой Верховного Главнокомандования было принято в начале мая. 4 мая 1943 года начальник Генерального штаба РККА Маршал Советского Союза А.М. Василевский издал директивы Военным советам Западного, Брянского, Центрального, Воронежского, Юго-Западного и Южного фронтов на уничтожение вражеских самолётов на аэродромах и в воздухе, на срыв железнодорожных перевозок и дезорганизацию автомобильного движения на шоссейных и грунтовых дорогах. Замыслом предусматривалось одновременными внезапными ударами по аэродромам на 1200-километровом фронте от Смоленска до побережья Азовского моря сковать действия немецкой авиации и нанести поражение её основным группировкам в районах Сещи, Брянска, Орла, Харькова, Сталино. Время первого массированного удара по аэродромам было установлено с 4 часов 30 минут до 5 часов утра 6 мая с последующим воздействием по ним в течение трёх суток. После двухсуточного перерыва вражеские аэродромы вновь должны были подвергнуться ударам, также в течение трёх суток. Действия по железнодорожным объектам на шоссейных и грунтовых дорогах предусматривалось проводить непрерывно на протяжении 10 суток. Сжатый срок на подготовку был вызван тем, что по советским данным, начало немецкого наступления планировалось на 10 или 12 мая 1943 года.
В операции принимали участие 1-я воздушная армия Западного фронта; 15-я воздушная армия Брянского фронта и переданный в её оперативное подчинение 1-й гвардейский истребительный авиационный корпус; 16-я воздушная армия Центрального фронта и переданные в её оперативное подчинение 3-й бомбардировочный авиационный корпус и 229-я штурмовая авиационная дивизия; 2-я воздушная армия Воронежского фронта и переданные в её оперативное подчинение 4-й истребительный авиационный корпус, 1-й штурмовой авиационный корпус и 1-й бомбардировочный авиационный корпус; 17-я воздушная армия Юго-Западного фронта и переданный ей в оперативное подчинение 3-й смешанный авиационный корпус; 8-я воздушная армия Южного фронта. Общее количество самолетов, принимавших участие в операции, превышало тысячу единиц.
Выбор конкретных целей-аэродромов, а также распределение сил и средств для действий по ним оставалось за командующими воздушными армиями. В первую очередь было решено уничтожить аэродромы противника. 1-я воздушная армия должна была нанести удар по шести аэродромам, 15-я — по двум, 16-я — по пяти, 2-я — по восьми, 17-я — по двум и 8-я воздушная армия — по трем аэродромам. Для выполнения всех поставленных задач воздушные армии должны были выполнить в общей сложности 10 300 самолёто-вылетов. Действия советских воздушных армий были направлены против основных авиационных группировок 4-го воздушного флота и части сил 6-го воздушного флота. По данным советской разведки на 1 мая 1943 года только на Смоленском, Орловском, Шаталовском, Брянском, Харьковском и Сталинском аэроузлах в общей сложности находилось 1100-1200 боевых самолётов Люфтваффе различного типа.
Ил-2 атакуют колонну противника. Воронежский фронт, 1943 г.
Скрытность и тщательность подготовки воздушной операции обеспечили внезапность и высокую эффективность первого массированного удара на рассвете 6 мая. В нём участвовало 434 самолёта, которые одновременно атаковали 17 вражеских аэродромов. Застигнутый врасплох противник не смог оказать организованного противодействия и потерял по данным советской стороны 194 самолёта на аэродромах и 21 — в воздушных боях. Советская авиация потеряла 21 самолёт.
Повторный удар был нанесен в тот же день в 15 часов, силами 372 самолётов по 20 аэродромам. Во втором ударе противник оказал серьёзное сопротивление. Он держал в полной готовности все средства ПВО. В воздухе патрулировали истребители, зенитная артиллерия ставила в районе аэродрома заградительный огонь. Советское командование также выделило дополнительные силы и средства для борьбы со средствами ПВО противника и блокирования аэродромов, где базировались истребители. Теперь уже советские авиаудары проходили в условиях яростного противодействия противника. На этот раз советские лётчики уничтожили и повредили на аэродромах 134 самолёта и сбили в воздухе 24 немецких истребителя. Советские потери составили 46 машин.
Утром 7 мая был выполнен третий массированный удар, атакованы 22 аэродрома. Участвовало 405 советских самолётов. Уничтожено и повреждено 122 вражеских самолёта, в том числе 29 в воздушных боях. Советские потери составили 46 самолётов.
8 мая советские ВВС нанесли четвёртый удар силами 181 самолёта, причём теперь удар наносился в ночное время. Однако в этот раз удалось уничтожить всего 6 самолётов противника ценой потери своих 8 самолётов. Первоначальная внезапность была уже утрачена. Получив сообщение об итогах этого удара, первый заместитель командующего ВВС РККА генерал-полковник авиации Г. А. Ворожейкин в тот же день 8 мая отдал приказ приостановить атаки аэродромов противника «вследствие утери внезапности», перенацелив усилия авиации на срыв вражеских перевозок.
Директивой Ставки ВГК от 13 мая операция по аэродромам и коммуникациям была «временно приостановлена». В общей сложности атакам подверглись 22 аэродрома немецкой авиации.
Основные итоги операции подвёл командующий ВВС РККА в докладе от 13 мая 1943 года. По его данным, советскими ВВС произведено 1392 самолёто-вылета, или в 7 раз меньше запланированных. Противник потерял 501 самолёт, советские потери составили 122 самолёта. В то же время, ряд современных исследователей полагают, что потери Люфтваффе в 3-3 раза были завышены, а собственные потери на столько же занижены. В советской исторической науке операция признается успешной, хотя господства в воздухе не было достигнуто. Основной причиной провала операции было неумение советского командования управлять большими массами воздушных сил и плохая координация бомбардировочной и истребительной авиации. Более подобных операций Красной Армией не проводилось.