בארבעת החודשים הראשונים של מלחמת ההתשה, עד יולי 1969, היה חיל האוויר הישראלי מעורב בפשיטות מוסקות למצרים, אך לא עסק בהפצצות אוויריות במצרים. ביולי 1969 החלה מעורבות נרחבת של החיל בהפצצות במצרים, וזו נמשכה עד סוף המלחמה. בנוסף להפצצות טקטיות באזור התעלה עסק חיל האוויר הישראלי בהפצצות אסטרטגיות בעומק מצרים, שנועדו להביא לסיום הלחימה.
ב-20 ביולי 1969 החל מבצע בוקסר, שנמשך עד 28 ביולי וכלל תקיפה מסיבית של חיל האוויר הישראלי על יעדים לאורך התעלה, בהם סוללות טילי קרקע-אוויר, סוללות תותחי נ"מ, מתקני מכ"ם, סוללות ארטילריה, מוצבים וטנקים. כ-300 חיילים מצרים נהרגו בתקיפה זו, שבה החלה מעורבותו ההולכת וגוברת של מערך התקיפה של חיל האוויר הישראלי במלחמה זו, עד להפיכתו לגורם העיקרי הנושא בעול הלחימה. תקיפות אלה הביאו לצמצום ניכר במספר הנפגעים בכוחות היבשה של צה"ל.
בסוף 1969 יזם המטכ"ל הסלמה בלחימה, בדמות הפצצות בעומק מצרים. לאחר שתוכנית ההפצצות בעומק מצרים אושרה במטכ"ל, היא הובאה לאישור ועדת השרים לענייני ביטחון, ולאחר דיון אושרו שתי התקיפות הראשונות. כצעד מקדים נערכה ב-25 בדצמבר תקיפה גדולה של חיל האוויר הישראלי, שבמהלכה הושמדו שתים עשרה סוללות של טילי קרקע-אוויר ששימשו להגנה על אזור קהיר. ב-7 בינואר 1970 החלה ישראל בסדרת "מבצעי פריחה". ההפצצה האחרונה בסדרה זו נערכה ב-13 באפריל 1970. בסך הכל ביצע חיל האוויר עשרים "מבצעי פריחה" שבמסגרתם נערכו 80 גיחות של מטוסי פנטום מטייסת 69 ומטייסת 201 ושמונה גיחות של מטוסי סקייהוק. במבצעים הופצצו 16 בסיסים עורפיים של צבא מצרים. בכל בסיס נבחרו היעדים בעלי ההשפעה המרבית על הצבא המצרי או כאלה בעלי השפעה ישירה על הלחימה בתעלה. חלק מהבסיסים הותקפו מספר פעמים. בנוסף הותקפו שש מערכות מכ"ם ושלוש סוללות טילי קרקע אוויר.
ב-6 בפברואר 1970 תקפו 18 מטוסי סקייהוק את הנמל המצרי בע'רדקה, במסגרת מבצע זיקוקית ב, והטביעו מקשת מצרית, כתגובה על מבצע של הקומנדו הימי המצרי בנמל אילת יום לפני כן, שבה נפגעו אוניות חיל הים הישראלי אח"י בת גלים ואח"י בת שבע.
ב-12 במאי 1970, במהלך גיחת הפצצה באזור הר דב, הצליח סגן-אלוף עזרא דותן להפיל שני מטוסי מיג 17 סוריים מעל לבנון, אחד מהם באמצעות רקטות נגד טנקים והשני באש תותחים.
ב-16 במאי 1970 ביצע חיל האוויר הישראלי, בתגובה לטיבוע ספינת הדיג אורית, את מבצע קשת אווירי שבו הופצץ נמל ראס בנאס והוטבעו משחתת מצרית מדגם סקורי וספינת טילים מצרית.
ב-30 במאי 1970 חדרה יחידת קומנדו מצרית לצד הישראלי של התעלה, ובשתי היתקלויות נהרגו 18 חיילי צה"ל ושלושה נשבו. בתגובה הפציץ חיל האוויר במשך שלושה ימים ובמאות גיחות מטרות מצריות רבות בגזרה הצפונית והמרכזית של תעלת סואץ, ניתק את פורט סעיד מתעבורה יבשתית ופגע קשה בכוחות קרקעיים שבגזרה.
כאקורד סיום של המלחמה ערכה ישראל ב-3 באוגוסט 1970 את מבצע "שיער 265" לתקיפת סוללות טילים מצריות וסובייטיות. המבצע שהיה האחרון מסוגו במהלך מלחמת ההתשה ובו הופל מטוס פנטום אחד ואחר נפגע, הוכיח כי לחיל האוויר הישראלי אין מענה טקטי למערך הנ"מ הצפוף שהוקם לאורך במצרים בהתאם לדוקטרינה הסובייטית. ב-7 באוגוסט 1970 נענתה ישראל בחיוב להצעת ארצות הברית להפסיק את האש, והפסקת האש נכנסה לתוקף למחרת. דקות לפני כניסת האש לתוקף, הופצצו מספר יעדים במצרים ובהם גשר פירדאן.
כמה ממטוסי חיל האוויר הישראלי אבדו במשימות אלה, בהם מטוס סקייהוק של מפקד טייסת 102, רס"ן ניסים אשכנזי, שהופל ב-19 באוגוסט 1969 במהלך הפצצת מטרות מצריות בתעלת סואץ. אשכנזי צנח ונפל בשבי המצרי. מטוס סקייהוק אחר הופל במהלך מבצע רביב, ב-9 בספטמבר 1969. המטוס נפגע מאש נ"מ ליד ראס זעפרנה, ונפל למפרץ סואץ. טייסו, , לא נמצא והוכרז נעדר.
ב-30 במאי 1970 הופלו שני מטוסי F-4 פנטום ישראלים באמצעות טילי קרקע-אוויר, ולאחר מכן הופלו מטוסים נוספים.
ב-18 ביולי 1970, באחד מניסיונות התקיפה של סוללות הנ"מ שנעשה תוך שימוש בפודי לוחמה אלקטרונית ובמבנה תקיפה מיוחד, הופל מטוס פנטום של מפקד טייסת 201, שמואל חץ, שנהרג, ומנחם עיני, שנפל בשבי.
קרבות אוויר.
במהלך יולי 1969 יזם חיל האוויר הישראלי סדרה של קרבות אוויר באזורים שאינם מוגני טילים מצפון למפרץ סואץ באמצעות פטרול של מטוסי מיראז' מעל אדמת מצרים שפיתו הזנקת מיגים וזאת במטרה לשחוק את חיל האוויר המצרי. בקרבות אלה, שכונו קרבות טקסס ואריזונה, הופלו 20 מטוסי מיג מצריים לעומת שני מטוסי מיראז' 3 ישראליים. בקרב אוויר הראשון בסדרה זו, ב-2 ביולי נרשמה הפלה מבצעית ראשונה באמצעות טיל אוויר-אוויר שפריר 2. בקרבות אוויר אלה נקבעה שליטתו של חיל האוויר הישראלי בתחום האווירי בעומק של 30 ק"מ ממערב לתעלה.
ב-11 בספטמבר 1969, בתגובה למבצע רביב, יזמו המצרים סדרה של הפצצות של יחידות צה"ל במערב סיני באמצעות כ־60 מטוסי קרב. כנגדם הזניק חיל האוויר מטוסי ירוט. בקרבות האוויר שהתפתחו הופלו 11 מטוסים מצריים ומטוס ישראלי אחד.
בקרבות אוויר שנערכו בחודש מרץ 1970 הופלו לפחות 11 מטוסי מיג מצריים.
ב-23 ביולי 1970 נענתה מצרים בחיוב להצעת ארצות הברית להפסיק את האש, אך בפועל המשיכה בהפגזותיה. כאקורד סיום ללחימה נערך ב-30 ביולי 1970 מבצע "רימון 20" – קרב אוויר באזור התעלה שבו הפילו טייסי חיל האוויר הישראלי חמישה מטוסי קרב שטייסיהם רוסים.
בומים על-קוליים.
ב-17 ביוני 1969 ביצעו שלא במתכוון מטוסי מיראז' 3 שהיו במשימת צילום מעל קהיר בום על קולי וגרמו לנזק למבנים ולניפוץ שמשות באזורי המגורים. זעם על אירוע זה, ולאחר דיון עם מפקדי הצבא הדיח את מפקד חיל האוויר מוסטאפה שאלבי אל חינאווי, שהספיק לכהן כשמונה חודשים בלבד, ומינה במקומו את עלי מוסטפא בגדאדי. הוא הדיח מפקדים נוספים ובהם מפקד ההגנה האווירית, חסאן כאמל, והעניש אחרים. מפקד חיל האוויר הישראלי, מוטי הוד, ראה אירוע זה כאמצעי נוסף להפעלת לחץ על המצרים, ולכן יזמה ישראל הרעשות דומות מעל קהיר, שנעשו במטוסי פנטום שהיו גדולים יותר מהמיראז'ים ולכן גרמו להדף חזק יותר, וגרמו נזק רב למבנים ברובעי היוקרה של קהיר.
תקיפות אוויריות של חיל האוויר המצרי.
פעילות התקיפה של חיל האוויר המצרי הייתה מצומצמת מאוד יחסית לזו של חיל האוויר הישראלי.
בסוף ספטמבר 1969 חדרו שני מסוקי מיל מי-8 מצריים לסיני ותקפו מבנים נטושים, האחד ממזרח לבלוזה והאחר בחוף מפרץ סואץ, בלי שגרמו נזק.
ב-21 בינואר 1970 תקף מטוס Il-28 מצרי את כוחות צה"ל אשר כבשו את האי שדואן במבצע רודוס, ומטוס נוסף הוזנק לחיפוש אחר כוחות צה"ל במסגרת מבצע בוסתן 25א, בין 1 ל-2 ביולי של אותה שנה. במרץ אותה שנה הופל Il-28 שהיה במשימת גרירת מטרות כתוצאה מ"אש ידידותית", כאשר סוללת טילי קרקע-אוויר מדגם SA-3, שהייתה מאוישת בצוות סובייטי, זיהתה אותו בטעות כפנטום ישראלי. ב-25 באוקטובר של אותה שנה הופל Il-28 בטיל MIM-23 הוק ישראלי מעל האגם המר הגדול.
בתגובה למבצעי פריחה, תקיפות העומק של חיל האוויר בעומק מצרים ב-1970, ביצעו מטוסי Il-28 מצריים שתי תקיפות עומק בסיני: בליל 23 באפריל הפציץ מטוס בודד באזור נח"ל ים ופצצותיו נפלו באזור חולי ולא גרמו לנפגעים או לנזק. הפצצה של זוג מטוסים באל עריש בליל 25 באפריל שפגעה בבית חרושת לקרח והרגה כ-30 ראשי צאן, הסתיימה בהפלתם על ידי מטוס F-4 פנטום (בהפלה ראשונה של מטוס מצרי בטיל "לביד") ומטוס מיראז' 3 של חיל האוויר הישראלי.
ב-15–16 במאי 1970 נערכו תקיפות אחדות של מטוסי מיג 17 בקו התעלה. ארבעה מהמטוסים התוקפים הופלו בקרבות אוויר.
ב-21 ביולי 1969 הופלו שני מטוסי חיל האוויר המצרי על ידי אש תותחי נ"מ של צה"ל. ב-11 בספטמבר 1969, במהלך יום קרב אווירי שהתחולל לכל אורך אותו היום, יירטו כוחות הנ"מ של צה"ל שלושה מטוסים מצריים, אחד מהם על ידי סוללת הוק.
המעורבות הסובייטית.
בפברואר 1970 התרחבה המעורבות הישירה של ברית המועצות לצד מצרים, בדמות כוחות נ"מ (ובהם טילי קרקע-אוויר מתקדמים מדגם SA-3), שלוש טייסות יירוט של מטוסי מיג-21 וארבעה מטוסי סיור מדגם מיג-25, שהוצבו על אדמת מצרים והשתתפו באופן פעיל בלחימה. הכוחות הסובייטיים הוצבו בעומק מצרים, באזורי קהיר, אלכסנדריה וסכר אסואן, והביאו להפסקת ההפצצות הישראליות בעומק מצרים. לאחר מכן החלו לקדם את מערך טילי הנ"מ מזרחה, לכיוון התעלה, תוך שהם מצמצמים את השליטה הישראלית במרחב האווירי. חיל האוויר השקיע מאמץ רב בעצירת התקדמותם של טילי הנ"מ, ובהפצצותיו נהרגו 4,000 פועלים שעסקו בהקמת עמדות הטילים.
כאמור לעיל, ב-30 ביולי 1970 ערכה ישראל את מבצע "רימון 20" – קרב אוויר באזור התעלה שבו הפילו טייסי חיל האוויר הישראלי חמישה מטוסי קרב שטייסיהם רוסים.
קידום סוללות טילים בסיום הלחימה.
סעיף 3 בהסכם הפסקת האש קבע: "שני הצדדים יימנעו מלשנות את הסטטוס קוו הצבאי בתוך האזורים המשתרעים 50 קילומטר מזרחה ומערבה לקו הפסקת האש. אף צד לא יכניס או יקים מתקנים צבאיים חדשים כלשהם באזורים אלה". סעיף זה הופר על ידי מצרים מיד ביום כניסתו לתוקף (ראו גיחות צילום אמריקאיות בסיני 1970), בצורת קידום סוללות טילי קרקע-אוויר לקרבת התעלה. צעד זה נתן למצרים ביטחון ביכולתם לחצות את תעלת סואץ מבלי שיופרעו על ידי חיל האוויר הישראלי, ואיפשר להם להתקדם בתכנון מלחמת יום הכיפורים.
הערכת הלחימה האווירית.
סגן הרמטכ"ל, האלוף ישראל טל, סיכם מלחמה זו:
עם זאת, שמואל גורדון עמד על המהפך שהביאה המעורבות הסובייטית:
תקיפות אוויריות של חיל האוויר הישראלי בזירת ירדן.