במקביל למערכה הקרקעית סביב כיס קורסון-צ'רקאסי, התנהלה לחימה אינטנסיבית גם בזירה האווירית, כאשר הצדדים היריבים נאבקו על השגת עליונות אווירית בשמים מעל שדה הקרב. בנוסף להענקת סיוע אווירי לכוחות הקרקע, מילאו כוחות האוויר של שני הצדדים תפקיד חיוני בהעברת דלק ותחמושת לכוחות הקרקע שלהם במהלך הקרב. הפשרת השלגים המוקדמת ותשתית הדרכים הדלה באזור בו התנהלה המערכה, הקשו מאוד על העברת אספקה לכוחות החלוץ של הצדדים היריבים, ולעיתים קרובות ניתן היה לתספק אותם רק בדרך האוויר. בצד הגרמני נדרש הלופטוואפה גם להשקיע כוחות ומשאבים ניכרים בהעברת אספקה בדרך האוויר לכוחות הציר, שכותרו בכיס קורסון, כדי לאפשר להם להחזיק מעמד עד להגעת כוחות החילוץ של מאנשטיין. מערך התובלה של הלופטוואפה ריכז שלוש כנפות של מטוסי תובלה לצורך מבצע הרכבת האווירית לכיס.
ב-29 בינואר 1944, יום בלבד לאחר השלמת כיתור הכוחות הגרמניים במבלט קורסון-צ'רקאסי, החל חיל האוויר הגרמני בהפעלת רכבת אווירית לתספוק הכוחות המכותרים, והיא המשיכה לפעול עד לתום המערכה סביב כיס קורסון. במסגרת הרכבת האווירית ביצעו מטוסי קורפוס האוויר השמיני למעלה מ-1,500 גיחות, מתוכם 832 גיחות של מטוסי תובלה, ו-478 גיחות של מפציצים, שהוסבו להצנחת חבילות אספקה. הם העבירו למעלה מ-2,000 טון של דלק, תחמושת ומזון ל"כוח שטמרמן", וחילצו יותר מ-4,000 פצועים מהכיס המכותר. בחמשת הימים הראשונים ספגו מטוסי התובלה שהשתתפו ברכבת האווירית אבדות ניכרות מתקיפות מטוסי קרב סובייטיים. מסלולי הנחיתה בתוך שטח הכיס הגרמני ספגו תקיפות בלתי פוסקות של מטוסי תקיפה סובייטיים. ב-1 בפברואר בלבד אבדו הגרמנים 16 מטוסי תובלה, שהופלו או התרסקו בנחיתות חירום, וכ-150 פצועים שהיו על סיפונם נהרגו. כתוצאה מכך, הם נאלצו לעבור לטוס בגובה גבוה ובעיקר בשעות החשיכה וקיבלו ליווי של מטוסי קרב. למרות הקשיים, עד 3 בפברואר סיפקה הרכבת האווירית 120–140 טון אספקה ליום לכוחות המכותרים ופינתה כ-2,800 פצועים מהכיס. המרחק הקצר בין קורסון לבין שדות התעופה הגרמניים באזור אומן, אפשר למטוסים שהשתתפו ברכבת האווירית לבצע מספר גיחות ביום. המעבר לטיסה בליווי מטוסי קרב גרם להפחתה ניכרת באבדות שספגו מטוסי התובלה הגרמניים, אך מטוסי הקרב המלווים, שנאלצו לטוס במהירות נמוכה, כדי לספק הגנה צמודה למטוסי התובלה האיטיים, ספגו אבדות ניכרות ממטוסי הקרב הסובייטיים, שתקפו את מבני המטוסים הגרמניים.
כתוצאה מהפשרת השלגים, החל מה-4 בפברואר הפך מסלול הנחיתה המרכזי בתוך כיס קורסון לבלתי שמיש, וניתן היה להמשיך לתספק את הכיס רק באמצעות הטלת חבילות אספקה מגובה נמוך. נחיתת מטוסים בשטח הכיס, ופינוי הפצועים באמצעותם, התחדשה רק ב-9 בחודש, לאחר שהגרמנים אלתרו שני מסלולי נחיתה חלופיים סמוך לעיר קורסון. במהלך הימים הבאים (14-9 בפברואר) הועברו ל״כוח שטמרמן״ בדרך האוויר 100–185 טון אספקה ליום. אובדן מסלולי הנחיתה באזור קורסון, אילץ את הגרמנים לחזור להסתמך, החל מה-13 בחודש, על הטלת חבילות אספקה מהאוויר, אך הרכבת האווירית המשיכה לפעול עד לרגע האחרון לפני הפריצה החוצה של הכוח הגרמני המכותר (16 בפברואר בלילה).
הצבא הסובייטי הפעיל במהלך מבצע קורסון-שבצ'נקובסקי שתי ארמיות אוויר (השנייה והחמישית), שכללו ערב פתיחת המבצע למעלה מאלף מטוסים מבצעיים. בשלבי הפתיחה של המתקפה הסובייטית, הם נהנו מעדיפות מספרית גדולה על כוחות האוויר שעמדו לרשות הצד הגרמני. במהלך הקרב ביצעו המטוסים הסובייטיים למעלה מ-9,000 גיחות, תוך שהם מנצלים כל רגע שתנאי מזג האוויר אפשרו פעילות אווירית, ושלטו בדרך כלל בשמים מעל שדה הקרב. אולם קורפוס האוויר השמיני, שקיבל תגבורות ניכרות במהלך הקרב, הצליח לעיתים להשיג עליונות אווירית מקומית באמצעות ריכוז מאמץ בגזרות מוגבלות - למשל בשלב הפתיחה של המתקפה השנייה של קורפוס הפאנצר ה-3 (12-11 בפברואר) - ולהעניק סיוע אווירי יעיל לכוחות הקרקע הגרמניים.
כדי להתמודד עם האתגר של הרכבת האווירית הגרמנית, הטיל הפיקוד הסובייטי על ארמיית האוויר ה-2 את המשימה למנוע את המשך התיספוק מהאוויר של כיס קורסון-צ'רקאסי, כולל תקיפת שדות התעופה באזור אומן וויניצה, מהם פעלה הרכבת האווירית, בעוד ארמיית האוויר ה-5 נועדה להתרכז בהענקת סיוע אווירי לפעילות כוחות הקרקע הסובייטיים במרחב קורסון. יחידה מיוחדת של מטוסי קרב, שהורכבה מטייסים מנוסים, שכל אחד מהם הפיל מספר מטוסי אויב, הועברה לאזור קורסון, כדי לסייע בהתמודדות מול הרכבת האווירית הגרמנית.
לפי מקורות גרמניים, אבדות הלופטוואפה במהלך הפעלת הרכבת האווירית הסתכמו ב-50 מטוסים שהושמדו, כולל 32 מטוסי תובלה, ו-150 מטוסים נוספים שניזוקו. אולם אין נתונים לגבי סך האבדות של חיל האוויר הגרמני במהלך המערכה סביב מבלט קורסון-צ'רקאסי
לפי מקורות סובייטיים, במהלך מבצע קורסון-שבצ'נקובסקי כולו, הפיל חיל האוויר הסובייטי 257 מטוסים גרמניים, במחיר 123 מטוסים סובייטיים שאבדו. הם העריכו, שלמעלה מ-200 מטוסים נוספים, רובם מטוסי תובלה, הושמדו על הקרקע בסדרת תקיפות מהאוויר על שדות תעופה ומסלולי נחיתה גרמניים בתוך הכיס ומחוץ לו.
אם להסתמך על המקורות הגרמניים, מבצע הרכבת האווירית לכיס קורסון-צ'רקאסי היה הצלחה גדולה של הלופטוואפה. במהלך המבצע הועברו לכוח הגרמני המכותר בדרך האוויר כמאה טון אספקה בממוצע ליום (כמות שנפלה אך במעט מהכמות שסיפקה הרכבת האווירית לסטלינגרד לארמייה השישית המכותרת), שאפשרו ל"כוח שטמרמן" להמשיך לתפקד ולהילחם ביעילות במשך כמעט שלושה שבועות, עד ל"פריצה החוצה" מטבעת הכיתור הסובייטית. גם המקורות הסובייטיים מודים בחצי פה, שכוחות האוויר שלהם לא הצליחו למנוע לחלוטין את מבצע התיספוק מהאוויר של הכוח הגרמני המכותר, אם כי הם טוענים, שהסבו אבדות כבדות למטוסים שהשתתפו ברכבת האווירית הגרמנית.
הפריצה החוצה של "כוח שטמרמן".
לקראת אמצע פברואר נעשה מצבו של "כוח שטמרמן" (Gruppe Stemmermann) נואש יותר ויותר. פחות מ-10 ק"מ הפרידו בינו לבין העמדות הקדמיות של קורפוס הפאנצר ה-3, אך כל הניסיונות של הקורפוס לכבוש את ז'ורז'ינצי ו"גבעה 239" ולחבור אל הכוח המכותר, נכשלו, והתקפות נגד סובייטיות עזות אילצו אותו לעבור למגננה. גודל הכיס שהוחזק על ידי "כוח שטמרמן" לא עלה עתה על 6 על 8 קילומטר, ובתוך שטח זה הצטופפו כ-50 אלף חיילים ואלפי כלי רכב. כל שטח הכיס הגרמני נמצא תחת הרעשה עזה של תותחים ומשגרי רקטות סובייטיים, שגרמו אבדות כבדות לכוחות המכותרים בתוכו. שטחו הקטן של הכיס ואובדן מסלול הנחיתה הגרמני האחרון, היקשו מאוד את המשך התיספוק מהאוויר של הכוח המכותר. איבן קונייב ריכז סביבו 3 ארמיות משולבות וקורפוס פרשים, בסיוע כוחות שריון מארמיית המשמר המשוריינת ה-5 ומארמיית הטנקים ה-6, והמתקפה הסופית לחיסול הכוחות המכותרים נועדה להיפתח ב-17 בפברואר.
ב-16 בפברואר החליט מאנשטיין, מבלי להמתין לקבלת אישור מהיטלר, להורות לכוח שטמרמן לפרוץ החוצה מטבעת הכיתור באותו לילה (16/17 בחודש) ולחבור עם כוח החילוץ בראש הגשר סמוך לליסיאנקה. תאובלד לאב, מפקד הקורפוס ה-42, קיבל פיקוד על הכוחות, שנועדו לבצע את הפריצה החוצה. הכוח בפיקודו כלל את שלוש הדיוויזיות החזקות ביותר של "כוח שטמרמן". הן נועדו לתקוף מקו חילקי-קומארובקה, ולהבקיע את טבעת הכיתור בחזית צרה ברוחב כ-4.5 ק"מ, בין הכפרים ז'ורז'ינצי בצפון ופוחאפינצי (Pochapintsy ) בדרום. דיוויזיית האס אס "ויקינג" (שכללה גם את בריגדת האס אס "ואלוניה"), שנועדה להתקדם באגף הדרומי של כוח הפריצה, הייתה הגדולה והחזקה ביותר מבין היחידות בכיס הגרמני. ערב הפריצה החוצה היא כללה למעלה מ-11 אלף חיילים, 13 טנקים ותותחי סער מבצעיים, 9 תותחים מתנייעים וכמה עשרות קני ארטילריה נגררים. כל אחת מהדיוויזיות בכוח הפריצה נועדה להתקדם במבנה של שדרת מסע עמוקה, ואורגנה בחמישה דרגים שינועו זה אחר זה. שלושה הדרגים הראשונים כללו כמעט את כל היחידות הקרביות של הדיוויזיה (כולל יחידות הארטילריה), ואילו הפצועים (מלווים בגדוד חי"ר), אנשי המפקדה, דרגי האספקה והשירותים העורפיים רוכזו בזנב הטור. גנרל שטמרמן קיבל את הפיקוד על משמר המאסף, שכלל את השרידים של שתי דיוויזיות נוספות. משימתו הייתה להגן על עורפם של כוחותיו של לאב במהלך הפריצה החוצה, ולסגת באופן מדורג בעקבותיהם. כ-1,500 פצועים קשה הושארו מאחור בכפר שנדרובקה, בהשגחת רופאים ואחים מתנדבים, לחסדי הצבא האדום. יחידות הוואפן אס אס לקחו עמן גם את הפצועים קשה שלהן, משום שידעו שהם יוצאו להורג במקום על ידי הסובייטים