淞滬戰役於 11 月初結束後，日軍長驅直入，一個月後就攻佔首都南京。隨著國民政府人員與物資西撤，華中第一大城武漢立刻成為雙方必爭之地。1938 年，中日雙方空軍在武漢先後三次激烈空戰。2 月 18 日的空戰中，空軍一舉擊落日機 12 架；當時武漢市民在地面仰觀雙方軍機纏鬥，空戰勝利當然大大的激勵了民心。但此次空戰也犧牲了五位傑出飛行員，包括李桂丹，呂基淳，巴清正，王怡，李鵬翔。至此，空軍「四大金剛」中的最後一位李桂丹（曾擊落敵機三架）也陣亡了。空戰後三日，漢口舉行盛大公祭，悼念這批空軍先烈。蔣委員長率國府要員出席，共產黨亦由周恩來率領代表參加，顯示舉國一致的哀悼與痛惜。4 月 29 日和5 月 31 日，日機再犯武漢，先後被擊落 21 架和 14 架，全國更為振奮。在這兩次空戰中，來華援助的蘇聯航空志願隊也成為接戰主力，並且創下輝煌戰績。
犧牲的空軍飛行員多數年紀很輕，但留下了許多令人動容的紀錄。218 空戰陣亡的巴清正，在 2 月 16 日給朋友的信中寫著：「人生不免一死，不過時間長短耳，我亦不免犧牲，亦只時間長短耳。…（余）自十六歲入軍校，至今日時將六載，朝朝暮暮，為的什麼？」；巴清正，生於 1916，歿於 1938，得年 22 歲。429 空戰中的陳懷民，是在自己飛機油箱起火後直接衝撞日機後犧牲的。他在前一晚的日記中寫下：「說不定那一天我的飛機被日機擊落，…. 你們不要悲傷，也不要難過，我是為國家和廣大老百姓而死，死得有價值」；陳懷民，生於 1916，歿於 1938，得年 22 歲。今天多數人大概很難理解，這批年輕人是懷著什麼樣的愛國心情，才能夠如此坦然的視死如歸？
抗戰開始後，空軍很快就面臨軍機嚴重不足，飛行員損失慘重的困境。空軍本僅擁有飛機 305 架，半年內就折損 291 架。幸好當時蘇聯援助我國 1200 架以上的各型飛機，並派遣志願隊員 3600 多人來華，其中飛行員超過 1000 名，後來有 220 多名飛行員陣亡於中國戰場。蘇聯航空志願隊前後在華作戰三年半，在德國入侵波蘭後部分隊員被調回國，直到日本與蘇聯在 1941 年 4 月簽訂「日蘇中立條約」後才被全部撤回。
除此之外，海外華僑捐款在各地興辦航空學校，培養飛行員，並送他們回國參加抗戰；這些華僑飛行員也彌補了部分空軍戰力。出生於美國奧瑞岡州的陳瑞鈿，在波特蘭的「美洲華僑航空學校」學習後，回國加入空軍。陳瑞鈿驍勇善戰，曾擊落日機六架，自己本身也被擊落三次，都幸運生還，但最後一次被擊落時嚴重燒傷，此後才退出戰鬥。另一位在洛杉磯長大的黃新瑞，亦曾擊落日機六架，自己本身被擊落兩次，最後在成都空戰中力戰陣亡。今天多數人恐怕更難理解，這批生長在海外的年輕人是在什麼樣的召喚下，才會義無反顧的回國參戰，甚至最終付出了生命。
