1937年7月7日，日本发动卢沟桥事变，大举、全面侵略中国。中国全面抗战开始。
这是一场侵略与反侵略的战争，也是一场不对称的战争。在空军方面，日本拥有飞机2200多架，其中作战飞机1500多架。在中国战场，日本陆军航空兵投入5个飞行师团，海军航空兵投入2个联合航空队，共有飞机660架，主要机种性能较好。此外，日本还拥有较强的航空工业，1937年日本的飞机生产量达到1500架，飞行员后备力量充足。
中国空军当时是一支年轻的作战军种，共有10个大队，6个独立中队，拥有飞机300多架。其中，战斗机141架，轰炸机132架。这些飞机分别购自英、美、德、意等国，型号庞杂，性能逊于日本飞机。飞行员有620人，战斗机飞行员不足半数，后勤力量薄弱，敌我实力十分悬殊。
为了适应作战需要，中国航空委员会新设前敌指挥部，周至柔任总指挥，下设驱逐、轰炸、侦察等部，由高志航、张廷孟、晏玉琮分任司令。中国空军将士士气高昂，同仇敌忾，悲壮的战歌响彻云宵。
“八一四”空战
1937年8月13日，停泊在黄浦江的日本军舰向上海闸北地区实施炮击，中国军队奋勇还击，“八一三”抗战就此开始。
13日14时，中国航空委员会下达了《空军作战命令第一号》。14日凌晨，中国空军各队奉命出击，正式向日军开战。
凌晨2时，中国空军封锁长江口，将停泊在长江中的日舰歼灭。中国空军第5大队的飞机追击在长江中向东逃窜的日舰，但日舰迅速逃出江阴要塞，匿入长江口外海面，使我空军失去歼敌良机。
3时30分，我空军第5大队24中队中队长刘粹刚率领9架霍克Ⅲ战斗机从扬州起飞，沿江追寻目标，在川沙县附近发现敌舰一艘，立即发起进攻，一举击沉该舰。
清晨7时，暂编大队35中队的5架战机从杭州笕桥起飞，轰炸上海公大纱厂日军军械库。8时40分，第2大队副大队长孙桐岗率21架诺斯罗普型轰炸机从安徽广德起飞，轰炸上海吴淞口敌舰及军械库、码头。9时20分，第5大队大队长丁纪徐率领8架霍克III战斗机从扬州起飞，飞向上海轰炸敌舰。下午，我空军又有多架战机轰炸上海日军司令部、兵营和公大纱厂日军阵地??这一天，我空军共出击8批76架次，给日军以沉重打击。
为了夺取制空权，8月14日14时50分，日军航空队18架三菱“96”式双发重型轰炸机从台北出发，分两批往杭州上空飞来，目标直指笕桥机场。
而此时，高志航的第4大队正从河南周家口机场飞来，杭州正处于台风中心，雷雨交加，4大队的黄色霍克III战斗机机群在气流中颠簸，迎着呼啸的风雨前行。先期到达笕桥的高志航焦急地站在机场跑道上，紧盯着天空，防空哨所刚刚打来电话，9架敌机正飞向笕桥。
雨云里钻出4大队的霍克Ⅲ战斗机，飞机盘旋在机场上空，中队长李桂丹已对着跑道俯冲下来。高志航对着飞机挥手大叫：“停止关车！停止关车！”李桂丹看到大队长凝重的神色，马上一拉操纵杆，轻巧的霍克飞机一昂头，又冲上了天空。编队的其他飞机见状，也立刻一架一架重新上天。高志航长舒一口气，转头见自己的座机已滑到身旁，立刻跳进机舱，昂首上天。4大队的霍克Ⅲ战斗机辗转千里，未及加油加弹，便投入了空战。
高志航驾驶霍克Ⅲ战斗机起飞后，发现三菱“96”式飞机一架，他迅速逼近目标，连续两次射击，日机中弹坠毁。与此同时，中队长李桂丹等人也发现2架日机，经连续攻击，击落、击伤各1架。分队长郑少愚击中第3架敌机。经约30分钟激烈战斗，击落日机3架，受伤的一架日机在返航途中坠毁。中国空军在空战中取得3︰0的辉煌战绩，自己在空战中无一伤亡。飞行员刘树藩在野外迫降时飞机触及树端，头部受伤，在送到杭州广济医院后，因流血过多而牺牲，成为空军抗战牺牲第一人。
高志航1907年5月14日生于辽宁省通化县（今属吉林省）三棵榆树村贫农家庭，13岁投笔从戎。1924年东北军扩建空军后，他报名赴法国学习飞行。1934年春，高志航晋升为中国空军第4大队大队长。1935年，高志航担任教导总队副总队长，协助总队长毛邦初工作，在南昌集训战斗机部队所有飞行员。笕桥空战后，高志航晋升为空军上校，第4大队更名为“志航大队”。
“八一四”空战是中国空军对日空战取得的第一个胜利，粉碎了日本妄图把中国空军扼杀在摇篮中的梦想，大大增强了我抗日军民的信心。
争夺制空权
随后，中日空军为争夺南京、上海、杭州地区的制空权，展开了激烈空战。
8月15日，中国空军再创佳绩：分8批攻击上海的日本海军陆战队和舰艇。日军不甘失败，鹿屋、木更津航空队以及3艘航空母舰上的飞机于15日倾巢出动。
中国空军第4大队从笕桥机场起飞霍克Ⅲ型战斗机21架迎战日“加贺”号上起飞的舰载机群。大队长高志航击落2架敌机，分队长乐以琴先后击中敌机4架。在浙江上空的激战中，中国空军击落敌机13架(一说12架)。袭击南京的木更津航空队也遭到中国空军和地面高射炮火的拦截，被击落飞机5架，击伤6架。
8月16日，中国空军在句容上空同鹿屋航空队激战，击落敌机3架。木更津航空队原计划袭击南京，后因天气原因改为袭击苏州。在前后3天的战斗中，日本海军号称“虎之子”的第一联合航空队38架新型“96”式攻击机竟损失18架，使日军极为震惊。鹿屋航空队队长石井义剖腹自杀，成为日本帝国主义的殉葬品。
8月17日，中国空军第5大队25中队飞行员阎海文的2510号飞机不幸被敌高射炮击中，阎海文被迫跳伞降落在日军阵地附近。大批日军冲上来将他包围，阎海文面对众敌，从容地拔出手枪，击毙了5名敌人，然后把最后一颗子弹射进了自己的头部。阎海文的英勇牺牲，使得日本报纸惊呼：“今日之中国，已非昔日之支那。”日本军部承认，中国空军是最为出色的航空兵力。
8月19日上午9时，我第2大队第9、第11中队各率7架诺斯罗普型轰炸机，前往长江口外的佘山、白龙港一带海面轰炸日军舰船。当机群飞到南汇上空时，904号飞机突然发生故障。当时，南汇还在中国军队手中，迫降或跳伞都有生还的希望，但904号机上的分队长、26岁的清华大学土木建筑系毕业生沈崇诲和21岁的轰炸员陈锡纯杀敌心切，他们操纵飞机从2000米的高度俯冲，对准海面上一艘敌舰撞去，随着“轰”的一声巨响，飞机和军舰一起沉入大海。
淞沪抗战是中国军队在抗日战争正面战场上进行的唯一的一次陆海空三军联合作战的大规模会战。上海近郊的罗店则是一座不折不扣的“血肉磨房”。罗店作战期间，中国空军频繁出击，短短半个月内，就击落敌机61架，击中敌舰船10艘，把号称精锐的鹿屋、木更津航空队打得七零八落，沉重地打击了不可一世的日本陆海军航空兵。
南京！南京！
为了迫使中国政府投降，日军于9月中旬特设攻击南京的空袭部队。9月19日，日本海军航空兵调集30架“96”式舰载战斗机两次袭击南京。中国空军从南京、句容机场共起飞21架飞机拦截，同敌机展开激战，击落敌机3架。
9月20日，日本海军航空队又出动战斗机6架、轰炸机27架、攻击机11架、水上侦察机13架，分两批袭击南京。中国空军起飞11架飞机迎战，击落敌机2架。
从9月19日至25日，日本海军航空兵集中对南京进行了11次空袭，共出动飞机289架次，投弹32.3吨，使南京遭受重大损失。中国空军共出击46次，空战15次，击落敌机20架，击中敌舰船38艘，自己损失飞机36架。
10月6日，日本海军第2联合航空队18架飞机袭击南京，因未遇到中国空军拦截，十分猖獗，投弹之后还在空中作特技飞行，以炫耀武力。我第5大队24中队中队长刘粹刚见此情景，怒不可遏，单机起飞，迎战众敌。不一会儿，一架敌机倒栽葱地坠入南京水西门外的田野里，数万南京民众翘首观看，见证了这一精彩战斗场面。
10月12日15时，日轰炸机9架、战斗机6架侵袭南京。中国空军起飞迎战。刘粹刚咬住一架敌机正准备攻击时，另一架敌机狡猾地从旁逼来，企图偷袭，情况十分危急。刘粹刚急中生智，凭着过硬的飞行技术和超人的胆略，猛转机头，对准前来偷袭的敌机射出一串子弹。日机顿时凌空开花，坠毁于南京城南水佐营。刘粹刚出色的战绩受到人们的赞扬，被誉为“中国的红武士”。刘粹刚也被与之交战的日军飞行员称为“赵云式的勇士”。
刘粹刚在对日空战中，常常以寡敌众，以弱抗强。从8月14日首开纪录到10月中旬，他共击落敌机11架，与高志航、乐以琴、李桂丹一并被誉为中国空军的“四大金刚”。
全歼“四大天王”
日本军国主义者为推行武士道精神，每年在日本陆军、海军航空队战斗机飞行员中，通过各种技术竞赛评选出4名最优秀的飞行员，称为“四大天王”。1937年，日军评出的“四大天王”是陆军航空兵的三轮宽、海军航空兵的山下七郎、潮田良平和南乡茂章。
1937年9月21日，日本陆军航空兵第16联队出动轰炸机14架，在8架川崎“95”式战斗机的掩护下空袭太原。中国空军第5大队起飞迎战。激战中，“四大天王”之一的“驱逐机之王”三轮宽少佐被中国空军28中队中队长陈奇光击毙。
1937年9月26日，日海军航空兵第13航空队分队长山下七郎大尉，在驾机掩护轰炸机空袭南京时，被中国飞行员击中，迫降于江苏太仓境内，山下七郎被俘。山下七郎成为日军“四大天王”中唯一被生俘的飞行员，后因他在关押期间搜集中国军事情报和组织越狱被处死。
1938年1月7日，日本海军航空兵第12航空队战斗机9架，掩护木更津航空队攻击机15架袭击南昌机场。中国空军第5大队飞行员徐葆昀驾驶伊-15型战斗机在空战中击落敌“96”式战斗机1架，该机驾驶员——日本海军航空兵分队长潮田良平大尉被击毙。
1938年7月18日，日本海军航空兵6架战斗机、14架轰炸机、5架攻击机再次空袭南昌。中国空军起飞迎战，击落敌机4架，最后一名日军“四大天王”、海军航空兵南乡茂章大尉被击毙。南乡茂章位居“四大天王”之首，日海军省次官山本五十六亲自参加其追悼会，哀悼这个“空中霸王”。
至此，日军“四大天王”悉数被歼。
从“八一四”中日空战首战到1937年12月1日苏联志愿航空队抵达南京首次升空参战为止这109天中，中国空军在没有任何外援的情况下，奋勇鏖战，取得了不俗的战绩。但由于敌强我弱的客观形势，至1937年11月，中国空军可用于作战的飞机只剩下30架左右。
