月十三日晚，日本军舰向上海闸北地区开炮，双方发生炮战，日本海军陆战队也与中国陆军第八十八师发生战斗。“八一三”淞沪抗战从此爆发。奋勇抗击日机进袭一九三七年八月十四日，日军十八架96式轰炸机袭击杭州笕桥机场。当日中国空军第四大队的二十一中队、二十二中队、二十三队霍克3型战斗机奉命从河南周家口机场转场笕桥机场，准备参加淞沪作战。当第二十一中队、二十三中队队飞机刚转到笕桥机场，即接到报告有日机入侵。大队长高志航旋即率队升空迎击敌机。空战中，高志航与李桂丹、谭文、柳哲生、王文骅、郑少愚先后共击落日机三架，击伤一架（该机返航至台湾基隆以北海面坠毁），加上日机在到达笕桥前失踪两架，实际日军损失飞机六架，而中国空军则“零损失”。这是进行全面抗战后中国空军对日军航空队空战取得的第一个胜利，以六比零的辉煌战绩载人空军史册，打破了日本空军不可战胜的神话。为庆祝中国空军的首战胜利，国民政府将八月十四日定为“空军节”。
淞沪战役中，连续组织空军部队向日军突击，迟滞了日军地面部队的进攻速度，歼灭了日军的有生力量。一九三七年八月十四日，中国空军一天中出动飞机八批七十六架次，集中轰炸日军在上海的军械库、码头、军舰等重要目标，给敌以沉重打击。八月十七日，中国空军第五大队飞行员阎海文驾驶霍克3型战斗机袭击日军陆战队司令部，不幸被日军高射炮击中，跳伞后落入日军阵地附近，日军迅速将其包围，并蜂拥而上，阎海文毫无惧色，掏出手枪先后击毙靠近的五名日军士兵，尔后自尽。八月十九日，第二大队分队长沈崇诲、轰炸员陈锡纯驾驶诺斯罗普－2e型轰炸机，轰炸长江处日军军舰，因飞机机械故障，他们杀敌心切放弃跳伞生还的机会，驾驶飞机向一艘日舰撞去，轰隆一声巨响，与日舰一起沉入大海。他们这种视死如归的大无畏精神，极大地震撼了敌人，同时鼓舞着抗战中的中民。
八月十五日至十月下旬，中日双方为争夺上海、杭州、南京等地的制空权，展开了激烈的空战。中国空军在没有外援的情况下，经过三个月的英勇奋战，使日本侵略者损失飞机二百三十架、击毙飞行员三百二十七名，日军号称精锐的鹿屋、木更津两个航空队基本被歼灭。中国空军也付出了沉重的代价，到十月二十二日，仅剩飞机八十一架，其中许多是战伤和故障待修的，基本上丧失了作战能力。
一九三八年四月二十九日，日军出动二十四架轰炸机，在十八架战斗机掩护下，空袭武汉，中国空军和苏联空军志愿队出动六十余架伊—15、伊—16型战斗机，双方经过三十分钟激战，共击落日机二十一架，己方损失十二架。在这次战斗中，中国空军第四大队飞行员陈怀民在击落1架日机后，被五架日机围攻，当自己座机多处负伤时，毅然驾机与附近1架日机猛撞，与敌同归于尽。陈怀民英勇的献身精神，被誉为“中华之魂”。后来日本飞行员“神风敢死队”，就是从陈怀民“驾机相拼”中得到启发。
一九三八年五月十九日夜，中国空军第十四中队中队长徐焕升、副中队长佟彦博率机组驾驶两架马丁b—10型轰炸机，当日从四川凤凰山机场转到宁波栎社前进机场。当晚23时48分从栎社机场起飞，二十日二时四十五分飞抵日本长崎上空，尔后到福冈，几乎飞遍日本九州全岛，沿途投下二十万份传单，四时左右返航，安全降落在玉山和南昌机场。这次作战行动在世界上和日本国内引起强烈反响。第二天，日本就决定充实日本本土的防空设施和防空力量。美国《生活》杂志曾指出：中国空军飞行员徐焕升是先于美军飞行员杜立特轰炸日本本土的第一人。此战后，领导人董必武等代表中央和八路军驻武汉办事处，赴中国空军领导机关慰问并敬献锦旗，中央敬献的锦旗上写着“德威并用，智勇双全”，八路军驻武汉办事处敬献的锦旗上写着“气吞三岛，威震九州”。表示了对中国空军的敬意。
在一九三八年十二月二十三日，中国空军和苏联空军志愿队出动四十架轰炸机袭击日占台湾松山机场，共投弹二百八十枚，炸毁日机四十架、营房十栋、机库三座，焚烧大量航空油料等物资。日军号称战斗机“四大天王”的三轮宽、山下七郎、潮田良平、南乡茂章等曾经骄横拔扈不可一世的空中杀手，在开战一年多时间内，其中三人先后被中国空军的陈其光、高志航、徐葆昀等击落毙命，一人被击伤后迫降被俘。日本海军第十三航空队司令官——“轰炸