Z meldunków operacyjnych Frontu Południowego wynika, że radziecki wywiad nie wykrył na czas przygotowań Wehrmachtu do kontrofensywy, bowiem dowódcy armii wchodzących w skład frontu otrzymali rozkaz rozpoczęcia opracowywania nowych planów przebicia się przez front nieprzyjaciela. Przerzucenie dużych sił lotnictwa niemieckiego na ten odcinek frontu nie zostało zauważone przez radzieckie dowództwo. Aby pomóc Wehrmachtowi w przebiciu się przez obronę wroga i zniszczeniu radzieckiego przyczółka, Luftwaffe przygotowała potężne siły.
Lotnictwo bombowe Osi reprezentowane było przez pułki KG 27, KG 55 i KG 100 wyposażone w Heinkle He 111, bombowce nurkujące Ju 87 z pułków St.G 77 i St.G 2, dwusilnikowe Ju 88 z rumuńskiej 6. Grupy Bombowej oraz samoloty myśliwsko-bombowe Fw 190 z dywizjonu II./Schl.G 1. Nasycenie niemieckiego lotnictwa myśliwskiego na tak wąskim odcinku frontu było równie imponujące, ponieważ w czasie kontrofensywy planowano użyć trzech dywizjonów: II./JG 3, III./JG 3 i I./JG 52. Przerzucono także sztab pułku JG 52, dowodzony przez bardzo doświadczonego Oberstleutnanta Dietera Hrabaka. W przeciwieństwie do poprzednich dwóch tygodni walk, Messerschmitty wszystkich tych jednostek miały równocześnie wspierać niemiecką kontrofensywę przeciwko Frontowi Południowemu; nie przewidywano rozpraszania sił na sąsiedni Front Południowo-Zachodni. Dodatkowo rumuńska 7. Grupa Myśliwska, po kolejnym uzupełnieniu sprzętu, wieczorem 29 lipca dysponowała 22 gotowymi do walki Bf 109G.
30 lipca – Wehrmacht przechodzi do kontrofensywy Od wczesnego ranka 30 lipca rozpoczęło się potężne przygotowanie artyleryjskie i lotnicze, po którym jednostki 24. Korpusu Pancernego i 2. Korpusu Pancernego SS przeszły do natarcia. Luftwaffe zapewniła nacierającym potężne wsparcie, uderzając na wojska radzieckie na pozycjach, punkty oporu i bliskie zaplecze 5. Armii Uderzeniowej, 2. Armii Gwardyjskiej i 28. Armii. W ciągu dnia radzieccy obserwatorzy odnotowali loty ponad 1200 samolotów Luftwaffe. Według tych danych bombowce działały w sposób zmasowany, wykonując misje w grupach liczących nawet 160 maszyn. Radziecka Kwatera Główna zauważyła jednak pewną cechę użycia bombowców przez Niemców: „Starając się stworzyć wrażenie wyjątkowo masowego nalotu, wrogie bombowce w pierwszym podejściu zrzucają tylko część bomb, po czym odlatują do rejonu wyczekiwania poza polem widzenia naszych wojsk lądowych i wracają kilka minut później, rzekomo jako nowa grupa. Manewr ten powtarza się 2–3 razy, aż cały ładunek bomb zostanie zrzucony. To, oprócz efektu moralnego, zapewnia ciągłość działań powietrznych i zmniejsza niebezpieczeństwo spotkania z naszymi myśliwcami wezwanymi drogą radiową, ponieważ skraca się czas przebywania bezpośrednio nad celem. Taki sposób działania potwierdza urządzenie RUS (stacja radiolokacyjna RUS-2 – przyp. tłum.)”.
Tak czy owak, uderzenia Luftwaffe wyróżniały się znaczną siłą. W ciągu dnia na głowy żołnierzy radzieckich zgrupowanych w wąskim pasie działań zrzucono ponad 3000 bomb burzących. O niewiarygodnej intensywności pracy bojowej załóg Luftwaffe świadczą także wpisy w ich książkach lotów. Emil Oechsler z 6./St.G 2 wykonał siedem lotów bojowych między godz. 5.55 a 19.45. Z kolei O. Pech z 8./St.G77 pięciokrotnie zbombardował wojska radzieckie w rejonie Marinowka–Stepanowka–Gruszowyj. Aktywnie działały również dwusilnikowe Heinkle. Dywizjon III./KG 55 wykonał prawie 70 lotów bojowych, operując w grupach po 21–24 bombowce. Dzień był szczególny dla przyszłego kawalera Krzyża Rycerskiego z Liśćmi Dębu, dowódcy dywizjonu I./KG 100, Majora Hansgeorga Bätchera, który 30 lipca odbył swój pięćsetny lot bojowy.
Aby wspomóc wojska na ziemi, radzieckie dowództwo rzuciło do walki siły 8. Armii Powietrznej. Intensywność użycia własnych maszyn uderzeniowych była jednak znacznie niższa: 119 samolotów szturmowych i 20 bombowców wykonało tylko 162 loty bojowe, czyli nieco więcej niż jedną misję na samolot. Aktywniejsze były myśliwce z czerwonymi gwiazdami, które wykonały ponad 300 lotów bojowych. Ponad połowa przypadła na eskortę bombowców i szturmowców, reszta dotyczyła osłony wojsk własnych, przechwytywania wrogich samolotów i rozpoznania.
Według radzieckich danych samoloty szturmowe działały bardzo skutecznie. W trzech nalotach załogi 74. GSzAP zgłosiły zniszczenie „dziesiątek czołgów i innych pojazdów”. Szczególnie udana była przedpołudniowa akcja ośmiu Iłów-2 pod dowództwem Bohatera Związku Radzieckiego, kpt. M.I. Smilskiego. Po zakończeniu uderzenia lotnicy zaobserwowali do 40 pożarów i zgłosili zniszczenie co najmniej 25 czołgów i do 15 innych pojazdów. Sukces ten miano osiągnąć dzięki masowemu zastosowaniu PTAB, czyli lekkich bomb przeciwpancernych o masie 1,5 kg, które „dawały doskonałe wyniki”. W następnym wypadzie grupa Smilskiego zbombardowała inne rozpoznane zgrupowanie sprzętu wroga lekkimi bombami i zgłosiła zniszczenie 10 czołgów i trzech innych pojazdów. Dowództwo nie uwierzyło jednak w tak optymistyczne meldunki i do końca dnia wszystkim trzem dywizjom lotnictwa szturmowego przypisało zniszczenie łącznie 30 czołgów i 70 innych pojazdów. Niemniej jednak w dokumentach odznaczeniowych wielu radzieckich pilotów szturmowych, którzy brali udział w wydarzeniach tego dnia na froncie Mius, pojawiły się sformułowania o rozgromieniu przez Iły niemieckiej dywizji Waffen-SS „Totenkopf”, która weszła później do walki jakoby w sile zaledwie 10 proc. stanu. Niewątpliwie samoloty szturmowe zadały dywizjom SS spore straty, ale słowa o rozgromieniu całej dywizji z powietrza były oczywistą przesadą. Całkowite straty 2. Korpusu Pancernego SS były jednak tego dnia bardzo wysokie: z 211 czołgów, które weszły rano do walki, aż 91 zostało trafionych lub unieruchomionych. Z 10 ciężkich wozów typu Tiger aż osiem było uszkodzonych.
Gdy w powietrzu znajdowały się jednocześnie dziesiątki, a nawet setki samolotów obu stron, co chwilę na niebie dochodziło do pojedynków, w których niemieckie myśliwce natychmiast przejmowały inicjatywę. Dzięki taktyce „swobodnego polowania” praktycznie nie dawały radzieckim myśliwcom szans na skuteczne przebicie się do ich własnych bombowców. Skuteczność intensywnych działań Messerschmittów widać nawet w raportach radzieckich myśliwców, z których wynikało zniszczenie tylko jednego Ju 88 i dwóch lub trzech Ju 87, podczas gdy niemieckie dane nie potwierdzają nawet tak skromnych sukcesów. Dla bombowców Luftwaffe – i to tylko w niektórych przypadkach – jedynym zagrożeniem był celny ogień radzieckiej artylerii przeciwlotniczej.
Nie osiągnąwszy wiele w walce z niemieckimi maszynami uderzeniowymi, radzieccy piloci nie skąpili zwycięskich raportów o zniszczonych myśliwcach wroga. Zgłoszono zestrzelenie co najmniej 23 Bf 109, z których 18 miało paść ofiarą Jaków, a reszta samolotów szturmowych. Lotnicy 6. GIAD i połączonego pułku PWO mieli zestrzelić kilkanaście jednosilnikowych myśliwców, a trzy kolejne uznano za uszkodzone. Radzieccy piloci przeszacowali jednak sukcesy co najmniej kilkunastokrotnie, Niemcy bowiem stracili dwa Messerschmitty, a Rumuni – jeden uszkodzony.
W wyniku akcji radzieckich myśliwców i późniejszego przymusowego lądowania Bf 109G-4 z dywizjonu 8./JG 3 został uszkodzony w stopniu oszacowanym na 50 proc., przy czym jego pilot nie odniósł większych obrażeń. Mniej szczęścia miał młody pilot Oberfähnrich Peter Abt z eskadry 9./JG 3. Koledzy po raz ostatni widzieli jego Bf 109G-6 w walce powietrznej z radzieckimi myśliwcami toczonej na zachód od Dmitrijewki. W Bf 109G-4 z rumuńskiej 7. Grupy Myśliwskiej zapalił się silnik. W rezultacie pilot musiał lądować przymusowo, a samolot został wysłany do remontu z uszkodzeniami ocenionymi na 20 proc.
Główny ciężar walki z Luftwaffe dźwigała tego dnia 6. GIAD wraz z podporządkowanym jej połączonym pułkiem PWO. Piloci dywizji gen. Sidniewa wykonali ponad 200 lotów bojowych i brali udział w ponad połowie wszystkich walk powietrznych odnotowanych w raporcie Kwatery Głównej 8. Armii Powietrznej.