Mit Beginn des Falls Blau, der deutschen Sommeroffensive ab Juni 1942 stießen die Verbände der 15. Flak-Division bis nach Maikop vor. Dort waren ihre Regimenter auch als Bodenkampfeinheiten bei der Panzerbekämpfung eingesetzt. Zu einem unbekannten Zeitpunkt im Herbst oder Winter 1942 wurde der Division das Flakregiment 37 unterstellt, welches im Raum Rostow einen Panzerabwehrriegel errichtete. Ebenfalls im Dezember 1942 übernahm der spätere Generalmajor Eduard Muhr die Führung der Division, die er bis 7. Juni 1944 innehatte. In den späteren harten deutschen Rückzugskämpfen im Raum Donez zeichneten sich die Regimenter der 20. Flak-Division erneut aus, so dass die Division am 20. Februar 1943 im Wehrmachtbericht genannt wurde. Mit dem Beginn des Unternehmens Zitadelle, dem letzten deutschen Großangriff auf Kursk, lag die 15. Flak-Division mit insgesamt acht Flakabteilungen im Raum Warenowka – Kamjanka.