中国空军建设起步较晚，1928年才开始建立。到1936年，其正式编制为9个大队，中国空军各种飞机已有600余架，其中战斗机305架，可用于作战的188架。
当时中国空军的主力机种是美制“霍克三型”(约60余架)与“霍克二型”(约10余架)战斗机，其余机种多执行轰炸等任务。而抗战初期，侵华日军的各种飞机多达800多架，且其装备性能、指挥和作战能力都占优势。
七七事变爆发后，中国空军曾准备集中兵力首先攻击华北之敌，作战方法主要是通过突然袭击的方式，破坏日军在天津、北平、山海关、锦州等地的基地。但随着八一三事变爆发，国民政府遂改变空军作战计划，规定“空军应集中主力协同陆军，先歼灭淞沪之敌”。于是，国民政府空军的作战范围主要集中在以杭州、南京、上海三角地带为主的华东与华南一带。
1937年8月初，日军第三舰队到达舟山群岛，准备向淞沪发起进攻，其所属飞机开始侦察杭州笕桥、翁家埠、乔司、诸暨等机场以及上海的虹桥机场、吴淞炮台，企图“在开战的第一天集中全部航空兵力，急袭敌空军，取得先发制人的胜利”。但日机在执行侦察任务时，被国民政府空军发现并进行了跟踪。
8月13日，日本海军第三舰队司令下达了“应以全兵力，先发制敌，击破敌空军”的命令。国民政府则针锋相对，于当日派轰炸机飞到公共租界上空示威、展示力量达半小时之久。下午，国民政府航空委员会在南京发布《空军作战命令第一号令》，“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”；8月14日，国民政府航空委员会又发布了《空军作战命令第二号令》，决定调集空军部队先行对上海地区的日军开展攻击。
8月14日，国民政府空军第五大队、第二大队、第四大队和中央航校暂编大队都出动飞机，集中轰炸了上海日军重要目标，有力地配合了地面部队扫荡敌人的战斗，轰炸了上海日军司令部及兵营、临时机场、军械库以及日本第三舰队旗舰“出云”号等多艘舰船。下午，日军轰炸机13架自台湾来袭苏浙的主要机场，第四大队在刚刚飞离机场、油量将尽的情况下起飞，在杭州笕桥上空冒雨迎战。大队长高志航率机奋勇反击，经过30分钟激战，全大队共击落敌机6架（日方称被击落3架），己方无一伤亡。
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。
