23 августа Северный фронт в целях облегчения руководства войсками и авиацией разделился на два фронта: Ленинградский и Карельский. Соответственно поделилась и авиация на ВВС Ленинградского фронта под командованием генерала А.А. Новикова и ВВС Карельского фронта, которые возглавил генерал Т.Т. Хрюкин.
Южнее Ленинграда немцы, развивая наступление, к 21 августа достигли Красногвардейского укрепрайона, а на новгородско-чудовском направлении 16-я немецкая армия прорвала оборону 48-й армии Северо-Западного фронта и 19 августа захватила Новгород. Авиация люфтваффе господствовала над полем боя, и, чтобы снизить ее эффективность, советские ВВС в конце августа нанесли массированные удары по немецким аэродромам. Из-за недостатка бомбардировщиков в ход пошли комбинированные штурмовые группы, целиком состоявшие из истребителей разных типов. Авиагруппа делилась обычно на две части: ударную и прикрывающую. Ударная включала в себя устаревшие самолеты И-16 и И-153 с подвешенными под крыльями бомбами и реактивными снарядами. Их прикрывали в воздухе более современные истребители МиГ-3, ЛаГГ-3 и Як-1, взлетавшие налегке. За счет этого удавалось добиться весьма неплохих результатов. Например, 25 августа был совершен налет на немецкий аэродром в районе Спасской Полисти, где, по данным разведки, враг сосредоточил до 70 самолетов. Четыре группы истребителей из 8-й САД, по десять машин в каждой, с интервалом 2–5 минут сделали по 3–4 захода на стоянки вражеской боевой техники, уничтожив на земле около 40 самолетов, из них 14 на взлете. В разгоревшемся воздушном бою с 12 Bf 109, взлетевшими с соседнего аэродрома, было сбито еще шесть истребителей. Советские потери составили 8 самолетов, включая сбитые огнем зенитной артиллерии. Согласно немецким данным, на аэродроме Спасская Полисть были выведены из строя около десятка Мессершмиттов Bf 109Е из состава II (Sch)/LG 2, бомбы повредили некоторые строения и сгорели четыре цистерны с горючим.
С 19 августа начался заключительный этап героической обороны Таллина, для захвата которого немцы выделили четыре пехотных дивизии. Кроме 10-го стрелкового корпуса, Таллин защищали отряды морской пехоты, подразделения ополченцев, корабли и авиация ВМФ. Общее руководство обороной военно-морской базы осуществлял Военный совет КБФ во главе с вице-адмиралом В.Ф. Трибуцем. Воздушные бои велись практически над всем районом Таллина, включая сам город, стоянки кораблей и аэродромы.
В этих боях летчики Балтийского флота записали на свой счет 20 воздушных побед, но и сами понесли тяжелые потери. Много было поврежденных советских самолетов, для ремонта которых не хватало не только запчастей, но даже и инструментов. Чаще всего повреждения боевые самолеты получали во время вражеских налетов на аэродромы, а также в ходе штурмовок наземных целей.
Против хорошо защищенных зенитными средствами немецких колонн немногочисленные бомбардировщики обычно использовались ночью, а днем для решения таких задач применялись истребители И-153 и И-16, вооруженные реактивными снарядами РС-82. Уже в первый день немецкой операции 19 августа для штурмовки колонны вермахта на подступах к Таллину была отправлена сводная группа из 8 истребителей 13-го и 71-го полков. Планировалось, что часть истребителей нанесет удар по вражеской колонне с разных направлений, а другая часть в это время атакует зенитки противника. Однако на практике оказалось, что все три захода советские летчики выполнили только против живой силы и бронетехники немцев, поскольку горели желанием остановить фашистов. В результате колонна была изрядно потрепана и на небольшое время остановлена, но с задания не вернулись три самолета. Еще один истребитель совершил вынужденную посадку на фюзеляж вблизи своего аэродрома, и пилот едва успел покинуть кабину, как топливный бак самолета взорвался.
25 августа немецкие войска ворвались на окраину Таллина, и все бомбардировщики и учебные самолеты ночью перелетели под Ленинград. Но истребители все еще продолжали сражаться, а механики прилагали все усилия для восстановления поврежденной техники. Они работали даже ночью при свете переноски и под немецким обстрелом. Утром 26 августа сводная группа обеих истребительных авиаполков атаковала с воздуха позиции немецких дальнобойных орудий, ведущих огонь по Таллину. В одном из звеньев на пушечном И-16 летел лейтенант Плешаков, уже уничтоживший под Таллином пять немецких самолетов. В районе цели он должен был подавить 20-мм зенитки противника, однако при обстреле очередного «эрликона» его истребитель был подбит зенитным снарядом. Сорванные взрывом куски моторного капота закружились в воздухе. Возвратиться назад не было никакой возможности, и тогда Плешаков перевел свой лобастый «ишачок» в пикирование и врезался в фашистское орудие…
Советские истребители 13-го и 71-го ИАП вели тяжелые бои и в течение дня 27 августа, однако вечером, в последний раз обстреляв врага на окраине Таллина, они покинули этот район боевых действий. Утром 28 августа флот и гарнизон города, по указанию Ставки ВГК, приступили к эвакуации в Кронштадт и Ленинград. Переход через Финский залив пришлось осуществлять в очень тяжелых условиях. Корабли непрерывно подвергались немецким атакам с воздуха, с берега по ним вела огонь тяжелая артиллерия противника, а маневр существенно затрудняли многочисленные минные заграждения. Из 195 боевых, транспортных и вспомогательных кораблей Балтийского флота на переходе по различным причинам были потеряны 53.
После сдачи Таллина сильно осложнилось снабжение советских аэродромов на острове Сааремаа, которые оказались оторванными от ближайших баз примерно на 400 км. Не оставляла их в покое и немецкая авиация. Так, 6 сентября во время вражеского налета на земле сгорели 7 советских самолетов. В итоге бомбардировщики пришлось перебазировать с острова, и налеты на Берлин прекратились. Всего с 8 августа по 4 сентября 1941 года экипажи 1-го МТАП совершили 86 самолето-вылетов с Сааремаа, и при этом 33 самолета добрались до Берлина, а остальные бомбили вспомогательные цели в городах Мемель, Данциг, Штеттин и др. Несколько меньше самолето-вылетов выполнила группа ДБА под командованием майора Щелкунова.
Тяжелая обстановка складывалась и под Ленинградом.
На Карельском перешейке в начале сентября финские войска вновь перешли в наступление с рубежа реки Свирь, устремившись с севера и востока в направлении на Петрозаводск. В 72-м БАП к этому времени осталось менее половины бомбардировщиков из первоначального состава — тяжелые потери полк понес в конце августа. Поэтому для штурмовки наступающих войск противника широко применялись истребители И-16 из 155-го ИАП и «чайки» из 65-го штурмового авиаполка. Самолеты 72-го БАП привлекались в основном для налетов на особо важные цели. Например, 18 сентября перед командованием бомбардировочного полка была поставлена задача разрушить с воздуха стратегически важный Никольский мост через реку Свирь, по которому непрерывным потоком шли финские подкрепления и автомобили с боеприпасами. В этот день две оставшиеся эскадрильи полка дважды летали для выполнения задания, но не добились успехов, потеряв несколько самолетов. 21 сентября мост безрезультатно бомбили еще три СБ — один из них был сбит зенитной артиллерией. Лишь 22 сентября удача улыбнулась экипажам полка. Звено СБ возглавил И.Д. Завражев. Ломаным маршрутом он провел бомбардировщики вглубь вражеской территории и атаковал мост с тыла, со стороны Онежского озера. Каждый самолет нес под крылом две бомбы ФАБ-250, которые сбрасывались почти с бреющего полета.
«Мы шли замыкающими, — рассказывал штурман одного из бомбардировщиков И А Васин, — и я Кожевникову все говорю: «Не отставай и — ниже!» На СБ штурман сидит впереди. У него в распоряжении спарка пулеметов ШКАС. Кругом зенитные разрывы… Вижу, с другого берега из крупнокалиберного пулемета ведет огонь пулеметчик. Моя правая рука — на сбрасывателе бомб, а левой я вожу спаркой, стреляя по пулеметчику. Смотрю, моя зеленая трасса тянется к нему, а он продолжает стрелять. Наконец, в начале моста я сбросил бомбы и уже обеими руками навел пулемет на пулеметчика. Вижу, он упал навзничь, и стрельба прекратилась. Мы, экипажи, летели так низко, что едва не задевали фермы моста винтами».
