После завершения формирования вошла в состав 2-й воздушной армии Воронежского фронта и участвовала в Воронежско-Ворошиловградской оборонительной операции. В конце октября дивизия вошла в состав 17-й воздушной армии Юго-Западного фронта и участвовала в Сталинградской битве. Её части вели боевую работу в районах Серафимович, Перелазовский, Боковская, Тацинская, Морозовская, Каменск. В ноябре они содействовали войскам 5-й танковой и 21-й армий Юго-Западного фронта в прорыве укреплений полосы обороны 3-й румынской армии на участке Ягодный — Клетская, в развитии фланговых ударов этих армий и выходе на реку Дон в районе Сухояновский, Калач. В декабре они поддерживали войска 1-й и 3-й гвардейских армий Юго-Западного фронта в ходе Среднедонской наступательной операции, затем при освобождении Донбасса, в Ворошиловградской наступательной операции. Её летчики своим действиями обеспечивали форсирование наземными войсками реки Дон, уничтожали авиацию противника на аэродроме Морозовская, содействовали соединениям 3-й гвардейской армии в овладении станицей Боковская. С января 1943 года дивизия в составе 1-го смешанного авиакорпуса 17-й воздушной армии поддерживала войска Юго-Западного фронта в ходе наступления на ворошиловградском направлении, затем в марте выведена в резерв Ставки ВГК.