尽管如此，美国在朝鲜战场上仍拥有强大的空中力量。特别是随着中国军队向南推进，其后方补给线不断延长，而遭受美国空军轰炸和袭击的威胁也日益严重。显然，苏联空军只在鸭绿江上空作战，远远无法保证中国军队物资和兵源的补给。为了掩护中朝军队的后方交通运输线，经与苏联政府商定，自1951年1月10日起，由苏联空军出动两个师，掩护辑安至江界、安东至安州两条铁路运输线，以保证后勤供应。
然而，战局的进一步发展要求苏联空军的作战半径继续向南扩展。在第三次战役时，中朝军队已经越过三八线，而苏联空军由于其基地在中国境内，受到飞行距离的限制，无法进一步南下，致使中朝联军在江界、安州一线以南地区的物资运输和部队调动，完全处于敌方空军的威胁之下。1951年初，在中朝联军刚刚进行补充休整时，联合国军发起了大规模反攻。为配合地面行动，美国远东空军司令部制定了轰炸中朝军队后方战略目标的方案。北朝鲜被划分为11个区，172个目标，其中包括45座铁路桥和12座公路桥、13个隧道、39个铁路枢纽和63个物资供应站。安东-新义州被认为是最重要的“A”区，平均每天有12-24架次B-29飞机轰炸这些目标。到1951年4月，据苏联军方统计，美国空军完成飞行1416架次(轰炸机420架次，歼击机996架次)，5月完成3500架次穿越飞行，其中轰炸机300架次(白天230架次，夜间70架次)，歼击机，主要是喷气式歼击机，达3200架次。美国空军的主要攻击方向是安州地区的渡口，平壤地区建设中的机场，安州、平壤等地的公路、铁路，以及平壤以南地区的各个目标。轰炸机为В-29和В-26，主要以小型机群和单机行动，飞行高度3000-4000米。
在这种情况下，已经延长了几百公里中朝联军后方供给线受到严重破坏，“兵员、弹药、粮食全无补充”，志愿军战士甚至“赤脚在雪里行军”。为了解决遭受敌机严重破坏的后方运输问题，1951年2月24日，代总参谋长聂荣臻和彭德怀向扎哈罗夫提出，要苏联出动两个空军师，转场至朝鲜境内，掩护三八线以北的交通线。遭扎哈罗夫拒绝后，彭德怀非常不满，于26日和28日两次与周恩来一同找毛泽东商议，坚持应直接向斯大林提出这一要求。毛泽东于3月1日致电斯大林指出：“目前朝鲜作战的困难，仍为敌人火力强，我方运输力弱，有百分之三十至百分之四十的物资被炸毁，敌军将逐步获得补充，有六七万人将于6月底到朝鲜，而我方则无空军掩护。”中国可以派出10个航空兵团入朝，但在朝鲜境内找不到一个可用的机场。主要问题是，“若无可靠的空军掩护”，无法进行机场的修复工程。毛泽东深知，此前苏联空军只在中朝边境作战，进入朝鲜纵深地区，对斯大林来说，又是一个难题。因此，他谨慎地提出，“彭德怀同志十分希望苏联空军能在平壤、元山之线及其以北机场担负掩护任务，并希望苏联空军使用的机场能移入朝鲜境内。据称若不如此，则朝鲜机场无法修成，中国空军亦将无参战可能，而坦克、炮兵的运转亦将增加极大的困难。但此事须从整个国际形势的利害出发来考虑，未知许可这样做否？”
这一次，斯大林没有像以前那样犹豫不决，他立即回电答复毛泽东：“如果您能够在安东地区留两个中国空军师掩护当地的电站和交通线的话，我们同意将别洛夫将军指挥的第151和第324两个歼击机师的基地转移到朝鲜境内去，以便掩护中国和朝鲜的后方。如果朝鲜人已有一条钢板飞机跑道，我们可以从苏联再提供两条钢板跑道。”斯大林还主动提出，“如果您同意，我们可以向您提供高射炮以掩护机场，并供应高射炮炮弹。”3月15日，斯大林又要扎哈罗夫转告毛泽东或周恩来：除了“在前一封电报中，我们采纳了您关于将别洛夫的空军基地转移到朝鲜你们部队的后方去的建议”外，“由于即将到来的重大战役，你们必须有尽可能多的歼击机在前线。因此，我们决定从苏联再调拨一个大型歼击机师到安东去，以便两个原定掩护安东的中国歼击机师调往前线”。毛泽东对此“深表感谢”。这些情况充分说明，斯大林对于使用苏联空军问题的考虑，确实比中国出兵前有了很大改观。显然，如果不是对毛泽东和中国军队有了信心和信任感，他是不会这么做的。
后来由于朝鲜境内机场的修建工作屡遭美国轰炸机的破坏，苏联空军部队未能进驻朝鲜。但随着中朝边境地区庙沟、大堡和大孤山三个新机场的建成，大批苏联空军后续部队加入了掩护中朝联军后方的战斗，从而使第64航空军在机场或空中进行作战值班的歼击机数量从2-3个航空团增加到4-5个航空团。总的说来，到1951年春苏联歼击机在朝鲜上空的军事行动取得了相当成效，完成了掩护鸭绿江大桥的任务，对中朝联军的运输线也起到了一定的保障作用。虽说由于飞行距离受限制，未能阻止住美国航空兵对朝鲜中部和东部地区机场和交通线的轰炸和袭击，但是在朝鲜西北部鸭绿江至清川江地区的上空，“米格-15歼击机已成为美国飞行员越来越感到恐惧可怕的敌人”。
1951年8月开城停战谈判中断后，美国又恢复了大规模轰炸。从8月18日开始对北朝鲜的交通枢纽实施密集袭击。8月上半月，美军飞行强度平均每日174架次，到下半月达到248架次。此时，第64航空军有3个航空师(151、303、324-R)，2个高射炮师(82和92-R)，武器有能够自动定位的高射炮，用于警戒和指挥炮位瞄准的雷达站、一个航空供应师、两个独立探照灯航空团，以及医院和其他后勤分队。但飞机总体数量很少，在安东地区部署的性能优秀的新型米格机只有190架，处于战备状态的米格飞机的数量还要少。这支空军所要对付的美国驻朝鲜的空军有不同型号战略、战术和海军航空兵的飞机达1500架。尽管如此，苏联空军还是从9月1日开始了反击美国空军的积极行动。在9月19日的空战中，米格飞机打下了3架“佩刀式”飞机和3架歼击轰炸机。在10月23日的战斗中，8架B-29飞机虽有34架F-86、55架F-84的严密掩护，但仍被击落3架。10月24日当34架美国飞机轰炸顺川大桥时，40架米格飞机起飞迎战，美国又损失了一架F-84飞机和一架B-29飞机。10月30日，56架处于战备状态下的米格-15中的44架迎战由21架B-29飞机和200架护航歼击机组成的美国机群，敌人损失了12架B-29飞机和4架F-84飞机。其结果是，在苏联米格飞机活动的鸭绿江至清川江的上空，第64航空军已经占有明显的空中优势，以至美国军人把这片区域称为“米格走廊”。苏联空军的英勇战斗，使美国飞机无法对这一区域选定的目标实施有效的轰炸，而只能集中力量轰炸平壤地区的目标。最后，米格飞机在朝鲜西北部地区的空中优势，迫使美国远东空军禁止在白天使用B-29战略轰炸机，这种状况一直维持到战争结束。据什捷缅科报告，从1950年11月1日至1951年12月6日，苏联空军共击落敌机569架(其中高射炮击落59架)，自己损失63架飞机。
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