8月15日，日空军进行报复，出动飞机袭击长江三角洲的杭州、嘉兴、曹娥等机场，被击落10余架。同日下午，南京空战中，日机再被击落10余架。后来，国民政府把这两次空战成果算在一起，称为“八一四”空战大捷，并定此日为“空军节”。
16日，国民政府空军先后派出飞机25架次，分6次重点轰炸了吴淞海面的日本军舰船和陆战队本部。除此之外对日本海军航空队的多处进攻也进行了有效抵抗，在杭州和南京方面击落日机8架，击伤数架。
据统计，到8月底，国民政府空军前后主动出击达67次，对日空战12次，击落日机61架，炸中日船舶10艘。其中，日空军精锐木更津、鹿屋航空队被国民政府空军歼灭过半。日军为打开战局，不得不调派大批飞机来华。而国民政府空军则连续作战，“消耗过大，兼之补充困难，致上海战场之制空权尽落敌手，我机只能于夜间冒险出动击炸”。
即使在处于劣势的情况下，国民政府空军仍积极迎击日军的空中攻击，并在空战中取得了多次胜利。其中以9月18日大规模夜袭影响最大，使日方损失达700万元之巨；10月14日的夜袭，炸毁敌人军用品4000余箱。10月12日中午，日机15架来犯，空军第四大队8架战机立即迎战。经过半个多小时的激战，大队长高志航、分队长刘粹刚、飞行员黄泮扬各击落敌机1架，迫使其他敌机仓皇撤退。
随着上海、南京失守，国民政府空军退至汉口、南昌、襄樊一带，投入了武汉保卫战的斗争。
