8月15日,中国空军按计划分八批轰炸上海日军。
第一批飞机起飞后,陈纳德来到南京首都饭店楼顶,注视着天气变化。据气象预报,这天将有台风和暴雨袭击上海。果然中国空军派出的轰炸机群,有两批因气候关系中途返回,未能完成任务。
上午9时,轰炸日军司令部的第6大队五架战机,所携带炸弹威力不足,虽击中目标但仅将屋顶炸几个小洞。第7大队六架克塞机由安徽滁县起飞,轰炸上海日军司令部,多数击中目标,因日军防空火力太强,中国空军损失一架轰炸机。
日本空军对中国空军频繁出击十分恼火,则进行疯狂报复。
8月15日清晨,日本空军再次出动轰炸机34架,分批袭击杭州。中国空军第4大队起飞21架追击。大队长高志航再次首开纪录,击落日机一架,正当他向另一架日机攻击时,左臂被流弹击中,他带伤驾机驶回机场。其余战友仍在空中厮杀,分队长乐以琴连续击落四架日机后,因油料不足只好返航。这天杭州空战共击落日机17架。
同日,日本木更津航空队轰炸机36架首次空袭南京,又被中国空军击落14架。
8月17日,第5大队25中队八架****机轰炸日军司令部,遭敌防空火力拦阻。
8月19日,第2大队出动两批轰炸机各七架,抵达目标区时同遭敌防空火力拦阻。飞行员沈崇海杀敌心切,驾机从两千米高空对准一艘日舰俯冲下去,与敌舰同归于尽。
当时日军两艘航空母舰停泊于长江口外,从8月15日起,日机就纷纷从这些母舰上起飞,轮番轰炸中国守军阵地、车站等,加之黄浦江上日舰海军大炮猛烈轰击,中国守军伤亡惨重。中国空军竭尽全力支援地面部队作战。
8月19日,中国守军开始总攻击。22日,中国守军曾一度攻占汇山码头,部分日军逃入英租界,被英军缴械。守军继续向汇山码头两翼进展,日军连日失利濒临绝境。
这时,由松井石根大将率领的援军到达上海吴淞口外。为阻止日军登陆,中国空军第4大队代理大队长王天祥,率领18架飞机往浏河一带轰炸敌人登陆部队,在上海近郊与敌驱逐机群遭遇,展开激烈空战。王天祥在击落两架日机后不幸牺牲。
8月23日拂晓,日本空军猛烈轰炸中国守军阵地。日本海军也以重炮支援敌陆军在川沙口、狮子林至吴淞口一带登陆。中国空军派第3、第4、第5大队19架轰炸机赶赴登陆场,轰炸登陆日军及日舰。击落两架日机,中国空军损失一架,分队长秦家柱阵亡。
8月24日,日本航母上105架飞机全部出动,疯狂轰炸我军阻敌登陆部队。中国守军伤亡极大。次日,日军第3师团主力向上海西北的罗店镇攻击。
中国空军第9大队和驻汉口的第8大队派机助战。至28日,中国空军损失过半,罗店也在同日陷落。至此,中国空军共击落日机61架,日本空军两个精锐航空队被基本消灭。