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

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）

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。