В дальнейшем 15-я воздушная армия поддерживала войска Брянского фронта в оборонительных сражениях под Воронежем, участвовала в ликвидации немецкого плацдарма на левом берегу Дона. Зимой 1943 года подразделения 15-й воздушной армии принимали участие в Воронежско-Касторненской операции, во многом определив её успех. Командующий 13-й армией Брянского фронта генерал-лейтенант Н. П. Пухов высоко оценивал действия 286-й ночной бомбардировочной дивизии, а лётчикам-истребителям и штурмовикам 15-й воздушной армии, принимавшим участие в боях по освобождению Касторное 27—28 января 1943 года, за мужество и отвагу, проявленные в воздушных боях и штурмовках, объявлена благодарность Военного совета Брянского фронта.