蘇聯空軍飛越鴨綠江投入戰鬥
其實，莫斯科並沒有袖手旁觀，斯大林在任何時候都做好了兩手準備。就在中國決心孤軍奮戰的時候，蘇聯空軍也在緊張地整編和集結。按照軍事部的命令，自10月14日起蘇聯空軍相繼組建了第144、第17、第328和第20殲擊航空師，準備前往中國。[92]10月19日，即中國出兵的當天，華西列夫斯基報告了將派往中國的空軍和坦克兵的準備情況和具體時間：11月3日前，已經部署在東北的第151殲擊航空師將擴編為兩個師；11月28日前，新組建的4個殲擊航空師完成在沈陽集結並於12月15日前進入戰備狀態；11月30日前，從各軍區調集的10個坦克團到達沈陽；12月1日前，新組建的3個強擊航空團在沈陽完成集結。蘇軍總參謀部負責此次組建和集結活動。[93]10月24日，即志願軍入朝後的第一次戰役打響的前一天，各空軍師和坦克團的組建工作結束，並陸續開始按計劃發運中國。[94]
盡管做了充分準備，但蘇聯空軍部隊並沒有接到作戰命令。駐華軍事顧問科拉特科夫後來接受采訪時的說法是可信的：斯大林對毛澤東還是不放心，他一直拖延給空軍部隊下達作戰命令，就是要等到中國軍隊真正開始戰鬥。[95]直到10月25日志願軍與聯合國軍的遭遇戰開始後，斯大林才相信，中國共產黨不是民族主義者，不是“親美分子”。[96]於是，10月29日，蘇聯顧問通知周恩來，莫斯科已同意蘇聯空軍“在安東擔任防空”，並可飛越中朝邊境，還答應10天後將基地從沈陽移至安東。[97]11月1日，蘇聯空軍第一次在鴨綠江上空投入了戰鬥。這一天，別洛夫航空師的米格-15飛機從沈陽和鞍山兩個機場各起飛8個架次，在安東—新義州上空擊落了2架美國F-82飛機，高射炮還擊中了2架。蘇方在空戰中沒有損失。[98]在11月1～12日的最初幾次戰鬥中，蘇聯空軍共擊落美國飛機21架，其中包括2架B-29戰略轟炸機。[99]
11月2日，總參謀長什捷緬科向斯大林詳細報告了志願軍各部隊不斷發起進攻並取得勝利以及第二梯隊（第9兵團）3個軍將陸續調往東北的情況，11月6日的報告進一步說明了聯合國軍損失慘重而志願軍順利進展的情況。[100]這更增強了斯大林的信心，他於11月15日通知中國，蘇聯準備向別洛夫師增派120架米格-15殲擊機，並由此成立軍一級的指揮機構（第64殲擊航空軍）。11月20日，蘇聯部長會議做出決議，向中國境內派遣第二批空軍部隊。[101]按照計劃安排，除已在中國的第151殲擊師和在鞍山新組建的第19殲擊師外，從11月到次年初，將有12個殲擊機師、2個強擊機師、2個轟炸機師陸續進入中國，分別部署在東北及北京、上海、青島、廣州等中心城市周圍。[102]
11月30日蘇軍總參謀部報告：軍指揮機構人員已經全部抵達沈陽，各航空師已陸續到達或在調運途中。此外，計劃供應中國的火炮、彈藥、汽車及其他裝備也陸續開始啟運，有些已經運抵目的地。[103]據空軍總參謀部報告，至12月4日前，派往中國的空軍部隊已有11個殲擊機師（第17、20、28、50、65、144、151、297、309、324、328師），2個轟炸機師（第162、186師），以及第64殲擊航空軍指揮機關、第6飛行技術學校的部分人員，共計將軍5人，軍官5058人，部隊官兵總數達17950人。與此同時，為組建中國空軍，已移交給中國各種飛機1653架，其中殲擊機900架（350架米格-15、372架米格-9、40架拉-11、130架拉-9），強擊機117架（伊爾-10），轟炸機132架（圖2），教練機412架，運輸機44架，通訊機56架。此外，還有各種車輛1871部。[104]
1951年1月9日第64殲擊機航空軍的報告全面反映了蘇聯空軍最初兩個月投入戰鬥的情況。執行作戰任務的部隊有8月11日進駐沈陽、鞍山和遼陽機場的第151師，11月1日進駐遼陽機場的第28師，11月20日從上海移師鞍山的第50師，共6個殲擊機團，每團各有30架米格-15飛機。11月27日，這三個師合並為第64殲擊機航空軍。為了接近戰鬥地區，12月3日和25日，第50師的兩個團分別調入安東機場。從9月3日起，各部隊開始實行每日戰鬥值勤。蘇聯空軍最初的任務只是防止美國空軍對中國境內目標的空襲和偵察，特別是保護鴨綠江大橋和安東電站的安全，因此規定，所有殲擊機不得越過鴨綠江。考慮到這條禁令對實際作戰十分不利，且難以執行，部隊於11月6日接到新命令，作戰時可以進入朝鮮領空。12月3日，以安東為基地的第50師進一步領受了新的任務——“保護北朝鮮中國志願軍的後方”，特別是從鴨綠江到清川江的交通線。此外，這些部隊以及後續各師還有一個重要任務，就是幫助組建和培訓中國空軍。在蘇軍的幫助下，中國空軍第一支殲擊機部隊（第4師）於12月12日完成組建，並立即在蘇聯飛行員的帶領下投入了實戰訓練。在兩個月的戰鬥中，蘇聯空軍3個師共出動飛機1079架次，擊落敵機68架，其中B-29戰略轟炸機12架，蘇方僅損失飛機9架、犧牲飛行員7人。自蘇聯飛機騰空以後的整個作戰時期，敵機再無一架接近中國境內被保護的目標及安東渡口和電站。不過，由於當時在中朝邊境只有一個機場，蘇聯駐軍兵力有限，以及雷達和通訊設備缺少等原因，朝鮮境內志願軍後方交通線未能得到有效保護。