Советская авиация ПВО в этот период времени находилась в невыгодном положении, так как линия фронта приблизилась вплотную к городу, и количество постов ВНОС сократилось. Основную роль в обнаружении немецких самолетов стали играть радиолокационные установки РУС-2, пять из которых непосредственно обслуживали Ленинград. В начале сентября ВВС Ленинградского фронта располагали 268 боевыми самолетами, из которых в боевой готовности находились 163. В основном это были истребители устаревших типов. Из числа бомбардировщиков имелось всего 6 Пе-2,2 — Ар-2,11 СБ и 2 штурмовика Ил-2. Еще 152 самолета насчитывалось в авиации КБФ.
Впервые Ленинград подвергся обстрелу из дальнобойных орудий 4 сентября, а в ночь с 6 на 7 сентября на город упали первые бомбы. Затем начались постоянные круглосуточные налеты. Вечером 8 сентября к Ленинграду прорвались 23 «юнкерса» и сбросили на него преимущественно зажигательные бомбы. Вторая волна бомбардировщиков люфтваффе нанесла удар по жилым кварталам ночью, ориентируясь по огням пожаров, и использовала фугасные бомбы весом 500 и 1000 кг. Одна из таких бомб угодила в водонасосную станцию: 24 человека погибли, 122 — получили ранения. Несмотря на усилия пожарных, полностью сгорели крупнейшие в городе Бадаевские продовольственные склады. 10 сентября немецкие бомбы разрушили кондитерскую фабрику и повредили Ждановскую судоверфь. Вспыхнуло более 80 крупных пожаров, а число погибших и раненых превысило 400 человек. Особенно интенсивными были налеты 19 и 27 сентября. Так, 19 сентября немцы совершили четыре дневных и два ночных налета на Ленинград, в которых приняло участие 280 самолетов. Все атаки проводились с разных направлений. В этот день бомбой была разрушена больница на Суворовском проспекте — многие из 600 находившихся там больных погибли. Еще одна бомба угодила в Гостиный двор — крупный торговый центр, и при этом лишились жизни еще 98 человек, а 148 получили ранения. 27 сентября несколько групп немецких бомбардировщиков общим числом до 200 самолетов три раза бомбили город и расположенные вокруг него советские аэродромы.
Всего в течение сентября на Ленинград было выполнено 23 массированных налета, в которых участвовали 675 самолетов. Они сбросили на город 987 фугасных и 15100 зажигательных бомб, в результате чего погибли или получили ранения 4409 ленинградцев.
Советские истребители с трудом противостояли воздушным нападениям, так как подлетное время вражеских бомбардировщиков было невелико. Тем не менее в сентябре лишь около 25 % немецких самолетов прорвались к целям. Пилоты 7-го ИАК только за половину дня 10 сентября заявили 16 воздушных побед. В боях отличился 11 сентября мл. лейтенант Е. Новиков, атаковавший группу Ju 87. Один самолет противника он сбил реактивными снарядами, а другой ударил плоскостью своего истребителя И-16, сумев при этом не только уцелеть, но и благополучно вернуться на поврежденной машине на аэродром.
В сентябре ожесточенным воздушным налетам подверглась и военно-морская база Кронштадт, так как корабли, стоящие на рейде, были включены в систему артиллерийской обороны Ленинграда и огнем своих орудий наносили серьезный урон наступающим немецким войскам. Первый налет на Кронштадт авиация люфтваффе совершила 19 сентября, выбрав в качестве основных целей линкоры «Марат» и «Октябрьская революция». Вначале труппа из 15 «юнкерсов» сбросила бомбы в районе причала и морского госпиталя, а затем еще две волны бомбардировщиков с промежутком в один час попытались атаковать корабли, но были рассеяны зенитчиками. В условиях мощного зенитного огня корабельных и береговых орудий храбрость немецких летчиков заметно поубавилась. Известный немецкий пилот Ганс Рудель из группы III/StG 2 впоследствии так излагал свои впечатления, оставшиеся от налета:
«Вечное голубое небо и убийственный зенитный огонь. Ни на каком другом театре военных действий я не видел ничего подобного. Согласно донесениям нашей разведки, в районе цели на территории около 10 кв. км сосредоточены сотни зенитных орудий. Разрывы зенитных снарядов в воздухе образуют целые облака. Они воспринимаются нами не как отдельные взрывы, а как непрерывный бушующий звук, напоминающий гром аплодисментов в судный день. Зоны плотного зенитного огня начинаются сразу, как только мы пересекаем прибрежный плацдарм, который все еще находится в руках у русских. Затем идут Ораниенбаум и Петергоф с сильно защищенными гаванями. На открытой воде полно понтонов, барж, лодок и прочих мелких судов — все они напичканы зенитными средствами. Для размещения своих зениток русские используют все подходящие для этого места».
21 сентября советские корабли вели огонь с Петергофского рейда, срывая наступление немцев на Красное Село. В этот день из-за сильной облачности видимость была невысокой, около 1000–1200 м, и поэтому самолетам люфтваффе удалось добиться серьезных успехов. Около 10 часов над линкором «Октябрьская революция» пролетел фашистский разведчик, а в 11:19 из облаков неожиданно вывалились примерно 30 Ju 88, которые резко развернулись и атаковали корабль с кормовых курсовых углов. Зенитчики успели сбить два бомбардировщика, прежде чем с неба обрушился град бомб. Рядом с линкором упало 19 бомб весом от 250 до 500 кг, и три из них угодили в носовую часть корабля, пробили верхний настил и взорвались на средней палубе. Силой взрыва настил верхней палубы оторвало от бортов и завернуло на полубак, однако корабль продолжал стрельбу главным калибром и двигался по направлению к Кронштадту. Пламя и дым закрыли его от последующих атак. Проводивший осмотр линкора после ликвидации пожара на баке контр-адмирал Ю.А. Пантелеев вспоминал: «Мы подошли к первой башне, дальше двигаться не было возможности. Бак корабля разворотило, почти до самого днища зияла чудовищная рана, и в ней торчало изуродованное и скрюченное железо, трубопроводы, обгорелые детали механизмов. Пахло гарью. Еще не всех убитых и раненых успели извлечь из этого хаоса. Я передал командиру линкора приказание комфлота — идти на ремонт в Кронштадт. Ни в каких «ободряющих» словах он не нуждался. По всему тому, что и как делалось кругом, я видел — это сильный и спаянный коллектив настоящих моряков. Никакие бомбы таких не выведут из равновесия».
Практически одновременно был атакован дюжиной пикирующих бомбардировщиков эсминец «Стерегущий». За 6–8 минут немецкие самолеты сбросили на него около 60 бомб весом от 50 до 250 кг. В итоге корабль получил три прямых попадания: одна бомба разорвалась в помещении старшин, вторая — в районе 1-го машинного отделения, а третья попала в борт в районе кают-компании. Наиболее тяжелые последствия вызвал взрыв в машинном отделении, из-за чего часть эсминца оказалась затопленной. Однако корабль все же дошел до отмели и через четверть часа после налета затонул, опрокинувшись на правый борт. Оставшиеся в живых моряки спаслись вплавь, поскольку все шлюпки были повреждены осколками.
Пришедший в Кронштадт линкор «Октябрьская революция» в течение 21 сентября подвергался еще нескольким массированным налетам, но его мощный зенитный огонь раз за разом заставлял фашистов сворачивать с боевого курса и сбрасывать бомбы куда попало. Стволы корабельных зенитных орудий раскалились, вся краска на них сгорела, и чтобы их остудить, краснофлотцы прикладывали к ним смоченные водой маты. Был сбит еще один немецкий самолет, а некоторые получили различные повреждения. Для пилотов люфтваффе этот день стал весьма напряженным. Например, командир эскадрильи 7./StG 2 пикирующих бомбардировщиков Ju 87, Эрнст Купфер, был дважды подбит в ходе налетов на корабли и едва дотягивал до своей территории, чтобы совершить вынужденную посадку.
