1932年一二八泄沪会战时，中国军队没有空军支援，当然也没有制空权可言，日军飞机将第19路军防守的闸北地区，轰炸成一片瓦砾场，军民死伤惨重。国民政府在初步认识到中日战争很难避免的同时，也认识到空军对国防的重要意义。一方面加强空军的领导、健全机构，兴办航校，培训空军人才；一方面增加空军经费，建设飞机制造工厂和从国外购迸飞机以扩充部队。

至1937年七七事变时，中国的空军已初具规模，共有10个飞行大队另6个独立飞行中队，拥有轰炸机137架、驱逐机（当时中国空军称战斗机为驱逐机）121架，攻击机20架、侦察机39架，连同运输、教练等机，总计约600架。飞行人员约300名（包括在校培训学生，作战飞机建制飞行员620人）。

为适应抗战需要，对组织机构进行了调整，最高领导机关仍为航空委员会，并仍由蒋介石兼任委员长，宋美龄任秘书长，周至柔任主任委员。委员会下增设前敌总指挥部，由周至柔任总指挥，毛邦初任副总指挥，具体负责作战指挥。其下再设轰炸、驱逐、侦察3个司令，分领各部队。具体编制及机种、驻地等如下：

空军前敌总指挥部

空军轰炸司令

第1大队（驻南昌）

第1中队、第2中队（各有轻轰炸机9架）

第2大队（驻广德）

第9中队、第11中队、第14中队（各有轻轰炸机9架）

第8大队（驻南昌）

第10中队（轰炸机12架）、第19中队（轰炸机6架），第30中队（重轰炸机6架）

空军驱逐司令

第3大队（驻句容）第7中队（驱逐机9架）、第8中队（驱逐机7架）、第17中队（驱逐机10架）

第4大队（驻南昌）

第21中队（驱逐机10架）、第22中队、第23中队（各有驱逐机9架）

第5大队（驻南昌）

第24中队（驱逐机10架）、第25中队、第28中队（各有驱逐机9架）

独立第29中队（驱逐机12架）

空军侦察司令

第6大队（驻南京）

第3中队、第4中队、第5中队（各有轻轰炸机9架）、第15中队（驱逐机9架、轰炸机7架）

第7大队（驻西安）

第6中队，第12中队、第16中队（各有侦察机9架）

独立第31中队（轻轰作机9架）

第9大队（驻蚌埠）

第26中队、第27中队（各有攻击机10架）

笕桥航校暂编大队（驻笕桥）

第32中队（轻轰炸机9架）、第34中队（驱逐机99架）、第35中队（侦察机9架）

独立第13中队（轻轰炸机7架）

独立第18中队（轻轰炸机9架）

独立第20中队（轻轰炸机9架）

独立第33中队（驱逐机9架）

空运队

中国空军的飞机，绝大多数购自外国，仅有极少数为国产。飞机种类繁多，维修不易，常因缺少零部件而不能起飞，战时补充就更为困难。七七事变前，空军在内战中没有空中对手，训练重点是攻击地面目标，所以，飞行员多缺乏空战的战术技术素养。

日本没有独立编制的空军。飞行部队分别隶属于陆军和海军，称之为航空兵，是陆、海军的一个兵种，因而，在支援地面部队和舰艇作战时，协同密切。但因缺乏统一的指挥和独立的作战机制，往往不能充分发挥其威力，七七事变时，日陆军航空兵的作战部队，有20个战斗机中队（每队编制机12架、预备机8架）、6个轻轰炸机中队（每队编制机9架、预备机6架）、8个重轰炸机中队（每队编制机6架、预备机4架）、15个侦察机中队（每队编制机12架、预备机8架），还有3个轰侦混合中队。海军航空兵的作战部队，共有飞机811架，数量虽较陆军为少，但技术装备及飞行员素质较好，最早与中国空军进行空战的，是日本海军航空兵，淞沪会战开始前，日军部署在华中方面的海军航空兵，有第1航空战队（舰载战斗机21架、轰炸机12架、攻击机29架）、第2航空战队（舰载战斗机12架、轰炸机12架、攻击机18架）、第1联合航空队（陆基战斗机14架，攻击机38架）、第12战队（水上侦察机9架）和第22航空队（水上侦察机6架）。

1937年七七事变发生后，中国统帅部在调动军队北上的同时，准备将空军主力使用于华北方面，当时空军己制定了《冀北作战计划》。主要内容为：“先以空军主力奇袭天津、丰台等处，摧毁敌陆军根据地，并相机协同我陆军击破该方面之敌；同时以空军一部担任京杭防空及沿海沿江之侦察与警戒，并对京沪方面仍作紧急时主力转移之准备，”决定先以11个中队组成天津支队和南苑支队，进入华北作战。8月上旬，日本海军向上海方面集结兵力。中国统帅部也改变空军主力北上作战的计划，将主力向华东方面集结。

8月12日，京、沪之间的中国军队开始向上海市区输送，以便“扫荡淞沪日军”。指挥京沪警备部队的司令官张治中（13日正式发表将京沪警备部队编力第9集团军，张治中任总司令）向蒋介石请示：“可否于明日拂晓前开始攻击？我空军明晨能否同时行动？”同时还进言：“职见一般对空军似有微同，如能干此役发挥我军极大威力，则可稍振中外人士之观听。”中国统帅邵遂决定空军与陆军一同开始作战。蒋介石一面回电张治中，令其“等候命令并须避免小部队之冲突”；一面令空军迅速进行作战部署。空军前敌总指挥周至柔于13日14时下达了《空军作战命令第1号》，赋予空军“阶助我陆军消灭盘踞我上海之敌海陆空军及根据地之任务”，要求“各部队应于14日黄昏以前，秘密到达准备出击之位置，完成攻击一切准备”。规定各部队之出击位置为：第9大队曹娥机场，第4大队宽桥，第2大队广德、长兴，暂编大队嘉兴，第5大队扬州，第6大队苏州、淮阴，第7大队第16队滁县；第8大队南京大较场，第3大队第8队大校场，第17队句容。命令刚刚下达，淞沪会战已经开始，中日双方军队在八字桥一带正式开火。空军总指挥连夜紧急下达《空军作战命令第2号》，不俟已北上各队转场完毕，即令就近各队于14日开始出击。

14日上午，第5大队驱逐机17架分两批于扬州起飞，沿长江向东搜索，于9时20分，在川沙及南通附近、袭击日军一艘驱逐舰，将其击伤；暂编大队侦察机5架从宽桥起飞，7时许侦察上海日军各据点情况，并袭击公大纱）内日军仓库；8时，第2大队轰炸机21架从广德起飞，轰炸吴淞口之日舰及汇山码头、公大纱厂等日军据点。

14日下午，第5、第2大队和暂编大队，再次出动驱逐机9架、侦察机3架、轰炸机21架，袭击、轰炸上海日海军陆战队司令部及公大纱厂等地日军。被日机击伤驱逐机2架（一架迫降时坠毁），被日地面防空炮火击伤轰炸机2架（一架返航至常州附近坠毁），牺牲飞行员3名。

当日海上有台风，在东海的日航空母舰上的飞机不能起飞，仅有停泊于淤沪附近的日“出云”号舰上的少量水上侦察机起飞作战，日海军第3舰队司令官长谷川清，遂令刚刚由日本转场至台湾的第1联合航空队之鹿屋航空队出击。14时50分，日机两队，各有9架攻击机，分别向中国空军的杭州览桥机场和广德机场攻击。18时30分，空袭杭州的9架到达览桥、乔司机场上空。原于8月7日受命北上已转场至河南周家口机场的第4大队，遵照《空军作战命令第1号》刚刚到达笕桥，多数飞机尚未加油，敌机逼近的紧急警报即已发出。大队长高志航立即驾机升空迎击，已加油的部分飞机亦随之起飞。这是中日空军的第一次空战。日本96式攻击机比中国霍克—3驱逐机多1门机关炮，飞行员受过严格的空战训练，但中国的霍克—3驱逐机比日本96式攻击机速度快，飞行员不仅飞行技术精良，而且抗战爱国、积极求战的热情特别高。高志航首开记录，击落第1架日机。中队长李桂丹等接着又击落1架、击伤数架。其余日机当即逃走。日军承认，这次空战被击落2架、重伤1架（至台北机场时损坏）。中国空军无一伤亡，以3:0获得第1次空战的胜利，不过，1架加油未满即升空迎战的飞机，在油料耗于后迫降时坠毁；1架未加油的飞机在机场被敌机炸弹炸毁，飞行员3名牺牲。广德上空，第34队队长周庭芳单机巡逻警戒，敌机到达时，击伤日机1架，返至基隆时沉于海中。

8月14日，中国空军多次袭击淤沪地区的日军舰艇及陆战队据点，并取得中日首次空战的胜利，增强了中国军民抗战必胜的信心。1940年，国民政府将8月14日定为空军节。

日本海军由于在华东没有陆上基地，其陆基航空队要从台湾或济州岛机场起飞，航程太远，加之日本的舰载飞机数量有限，且轰炸能力不足，所以，力图在上海建立其陆基航空队的前进基地。中国空军集中力量打击海军航空兵，阻其在上海地区建立机场，直接支援地面部队的作战较少。日海军航空兵则集中力量轰炸、攻击中国空军在华东地区的主要机场，企图摧毁中国空军的作战能力，掌握华东地区的制空权，尔后在陆上建立机场，用以支援地面部队作战或进行战略轰炸。从8月15日至9月末，中日两国空军部队为争夺沪宁地区制空仅展开了激战。

8月15日，中国空军按照第3号作战命令分8批攻击上海日海军舰艇及陆战队据点（其中3批因风雨中途返航）。第5中队的5架轻轰炸机，曾冒雨轰炸日海军陆战队司令部，多枚炸弹命中目标。但所携炸弹为18公斤小型炸弹，破坏力太小，对日军已加固的钢筋水泥工事及建筑物，只能炸一小洞，不能形成大范围的破坏，第2大队的17架轻轰炸机再次轰炸敌司令部，仍然效果不大。

日海军航空兵第1联合航空队鹿屋航空队，14日在览桥上空被击毁3架，1架伤重不能修复，所余14架攻击机袭击南昌机场；木更滓航空队20架攻击机袭击南京大校场、明故宫机场，“加贺”号航空母舰上轰炸机16架及攻击机29架，分头袭击览桥、乔司绍兴及嘉兴机场。

中国空军第4大队21架驱逐机从宽桥升空迎战“加贺”舰之45架飞机，经激烈空战，再次获得辉煌的胜利。高志航首先击落敌机1架，受伤后又击落敌机1架。分队长乐以琴击中敌机4架，致使日军飞行员见到他所驾驶的2204号战机即设法避开。此次空战共击落日机13架。中国牺牲飞行员1名。

日木更津航空队空袭南京，被击落5架。这是南京第一次遭到日军空袭，由于精神、物质准备均不够充分，损失较大，南京机场的飞机库及停在机场的一些飞机被炸毁。鹿屋航空队的袭击，使南昌机场亦遭相当大的损失。8月16日，台风影响消除，日海军第3舰队航空兵的飞机基本上全部起飞袭击浙江、江苏地区的各机场。中国空军奋勇迎击，双方飞机均有相当损失。被称为日本海军的“虎之子”的第1联合航空队，在14日至16日的空战中，38架新型96式攻击机损失18架，占该队攻击机总数的47％，使自命无敌的日海军将领们极为震惊。

8月17日出击作战中，中国空军第5大队飞行员阎海文在飞机被击毁后跳伞落至日军阵地附近，10余名日军将他包围。命其投降。他毫无惧色，用自卫手枪击毙5名日军士兵后，以最后一颗子弹自手牺牲。他是辽宁北镇人，起飞前曾说：“我是一流亡者，我要打回老家去，为东北3千万同胞复仇。”阎文海的忠烈行为，连敌人亦甚敬佩，日海军陆战队在大场附近为他建墓，墓碑上刻着“支那勇上之墓”。9月1日，日本大阪《每日新闻》刊登了该报驻上海特派员木材毅关于阎海文事迹的报道，并发出“中国已非昔日之支那”的感叹。10月间，日本东京还举办了“中国空军勇士阎海文之友展览会”、陈列了烈上的飞行服、降落伞、手枪等遗物。

8月19日，第2大队去长江口外轰炸日舰时，分队长沈崇海、轰炸员陈锡钝驾驶的904号轰炸机，突然发生故障，机尾着火。当时，南汇仍在中国军队手中，迫降或跳伞均有生还希望，但他二人却操纵飞机从2000米高空向下冲击一艘敌舰，飞机与敌舰在爆炸声中一同沉入大海。

19日当天，日本电讯侦破人员破译了中国空军的部分电报密码，从而掌握了中国空军各部队的主要动态。从此，中国空军在空战中陷于被动，8月20日，中国大本营下达的《国军作战指导计划》规定空军的任务是，“集中主力阶同陆军，先歼灭淞沪之敌（以敌舰及炮兵为主要目标）”。中国空军飞机的数量少于日军很多，而且消耗后无法补充，尽管勇敢机智地与日机周旋，击落敌机亦多于自身的损失，但沪宁上空的制空权仍逐渐向日军方面转移。在支援地面部队作战方面，未能起到重要作用。从8月14日开战至8月底，中国空军共出击67次，空战12次，击落日机61架，击中敌舰10艘，自身损失飞机27架。

9月初，日军第3师团攻占上海军工路一带，解除了中国军队对公大纱厂日航空兵前进机场的威胁。9月10日，日海军第2联合航空队由大连转场至公大机场。中国空军的行动更加困难。整个9月，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，自身损失飞机36架。9月中旬，日本陆军在吴淞以西的王浜修建了前进机场。9月底，日本陆军第3飞行团开始进入王浜机场。华东方面日海军航空兵损耗的飞机，随时得以补充，淞沪上空的形势发生急剧变化，制空权完全被日军掌握。中国空军的飞机，已不能在白天出击，只能进行夜袭和担任南京城市及机场的防空任务。10月间，击落日机7架，自身损失25架。到10月22日止，原有的300余架作战飞机，仅余81架，其中还有不少是待修的。10月26日，日军向大场发动总攻时，动用150架飞机支援其地面部队作战，中国空军却无力突破日空中防线，支援中国的地面部队。

11月12日，淞沪会战结束，中国军队撤出上海向南京转移。此时，中国空军可作战的飞机仅剩30架左右，基本上己不能再进行空战。