与陆军的攻坚不利相比，中国空军却在长空报捷，战绩完全可以用"辉煌"二字来形容。
1931年以来国民政府在美国帮助下逐步建立起一支空军部队，由于缺乏资金，加之不受重视，空军力量发展有限。到淞沪会战之前，国民政府拥有各种飞机约300余架，成立了一个由蒋介石为委员长、宋美龄为秘书长、周至柔为主任的航空委员会，还成立了一个空军总指挥部。当时空军全部为进口杂牌，不仅数量少，而且维修困难，空军任务只是配合陆军轰炸一些不设防的地面目标，炸完就跑，至于同日空军一较高下，没有实力也没有机会。
鉴于开战以来日机不断对中国军民狂轰滥炸，气焰嚣张万分，空军总指挥部在8月13日下午14时发布第1号作战命令，决定协助陆军消灭盘踞在上海之敌，狠狠教训日本人。当时参战空军各部队出击基地如下：
第2大队：广德、长兴机场（以下同）
第3大队：第8队南京大校场，第17队句容
第4大队：笕桥
第5大队：扬州
第6大队：第4队淮阴，第5队苏州
第7大队：第16队滁县
第8大队：南京大校场
第9大队：曹娥
8月14日，日本王牌空军木梗津重型航空队的13架"96"式轰炸机自台湾新竹机场起飞，像乌鸦一般掠过云层，扑向杭州笕桥机常巧合的是，我空军第4大队当日奉命从河南周家口迁往笕桥。大队长高志航，本名高铭久，1908年出生于东北一个殷实农户之家，1920年在学校学习期间投笔从戎，考入东北陆军军官教育班。1923年，东北军扩建空军，准备从陆军中选拔一批学员赴法国学习深造，高志航踊跃报了名，但东北军教育长郭松龄看了他之后，摇头对他说："你身材太小不能出国，给中国人丢脸。"高闻言当即气愤说："法国人也不都是高个子，并且我也学过法文，从现在起我把我的名字枪毙了，改名为高志航！"在座的郭夫人很欣赏他的倔强好胜性格，认定此人日后必能成大器，好言劝服郭派遣高志航去了法国。高1926年学成回国，被张学良任命为东北航空处少校飞行员。因一次飞行事故中右腿折断，愈后残疾，右腿比左腿短一公分，人呼为"高瘸子 "。
"九.一八事变"之后，高志航入关投奔南京国民政府航空委员会。当时国民党排斥东北军，对高并不欣赏，只委任他为杭州笕桥航空学校少尉见习，高并不气馁，不久便因飞行技术出色而被提升为分队长。此后步步升迁，直至空军教导总队少校总队队副。在蒋介石50大寿的飞行表演会上，高志航因身手不凡，引起老蒋的注意，表演结束后特地接见了他，蒋介石夸奖道："你的技术很好，赶超世界水平。"当下把自己的"天窗"号飞机奖给了高志航。之后高受政府委派到意大利购买飞机，意大利人想糊弄他卖过时飞机，高志航气愤之下跑去独裁者墨索里尼面前理论，一番言论说得墨索里尼也动容，不得不佩服这个瘸腿的中国小个子，为此专门发电称高为中国人中"真正的英雄"。此事被传为佳话，高志航也因此而名扬中外。
高志航于8月14日午后率领第4大队战机刚抵笕桥机场，即接到防空警报。于是命令各机立刻加油，此时，日军飞机已经黑压压飞了过来，打算抢先摧毁机场，使我空军无处立足。高志航不等飞机油料加足，便紧急升空迎战。所属3个中队的27架飞机也分头迎向日机。高志航对屡屡兴风作浪的日本飞机恨得牙根直痒，憋着一股劲要给敌人一点厉害颜色。驾驶着霍克一Ⅲ驱逐机升空后，高志航立即锁定一架日机，靠着精湛的飞行技术几个翻腾，逼近目标，瞅准机会迅速按下机关炮钮，只见从自己飞机底下吐出一串火舌，正中日机尾部，敌机一阵震动，随即拖着长长的黑烟怪叫着来了一个倒栽葱，"轰"地一声炸得四分五裂。来不及品尝胜利的滋味，高志航又驾机扑向另一个目标，很快，那架日机也遭受了相同的命运，摇摇晃晃一头栽了下去，不久化成碎片。前后击落两架飞机，仅仅用了3分钟。
战机呼啸，炮声隆隆，火光映红天空，中国空军飞行健儿怀着对侵略者的满腔仇恨，相继猛烈开火，第4大队第21中队中队长李桂丹等人也有战果，击落1架日机，击伤1架，剩下的敌机见势不妙，掉转机头狼狈逃窜。这次空战，中国空军大获全胜，首次参战便大显身手，创造击落敌机6架、击伤数架的辉煌战绩，己方战机却安然无恙，更让人不可思议的是，前后整个战斗过程，历时不过短短一刻钟。
"八.一四"空战大捷，沉重打击了敌人的猖狂气焰，大大振奋了全国人心，消息传出，举国一片欢腾，报纸刊登出醒目标题《飞将军一战成功 六比〇大胜倭寇》，予以大力颂扬。蒋介石闻讯，也大喜过望，在日记里写道："倭寇空军技术之劣，于此可寒其胆矣。"传令嘉勉空军。经宋美龄提议，国民政府遂把8月14日这一值得铭记的日子定为空军节。
在台湾新竹基地的木梗津航空队队长石井大佐得知日空军战败，目瞪口呆，一直以来日本空军在中国领空来去自如，恣意而为，在他们眼里中国空军胆小如鼠，根本不堪一击，哪曾想一经交手不堪一击的竟然是堂堂"大日本皇军"！感到蒙受奇耻大辱的石井大佐当晚剖腹自杀，到阴间向天皇谢罪去了。
这一天，中国空军还在吴淞口袭击了日本军舰，第2大队"907"号轰炸机飞行员任云阁向中国军民切齿痛恨的日旗舰"出云"号连投两枚炸弹，命中其甲板，可惜炸弹威力不够大，没有将该舰击沉，如果换了重磅炸弹，或者发射鱼雷从水下攻击，"出云"号定将在劫难逃。任云阁在飞回途中不幸遭日高射炮集中，机毁人亡。
日本空军迭遭挫折，图谋报复，8月15日晨出动60余架飞机轰炸上海、杭州、南京中国机尝军用设施和通讯指挥枢纽，寻机与中国空军决一死战。高志航的第4飞行大队和其他空军部队投入战斗，这次依然打得敌机抱头鼠窜，17架飞机被击落，数架被击伤，我方蒙受了微小损失。中国飞行员乐以琴一人干掉4架敌机，创造了空前的纪录。这还是在落单掉队、油料和炮弹不足的困难情况下取得的，孤胆英雄啸傲长空，大长我中华国威和国人志气。
8月17、19日，敌我双方空军再次交战，输红眼的日军紧急从国内调集王牌飞行员和飞机飞赴淞沪前线，以求洗刷前耻。由于对方作了周密准备，我空军与之交战互有胜负。但中国空军拥有敌所无法比拟的英勇无畏精神，第4大队飞行员阎海文在空袭日海军陆战队司令部的战斗中座机被高炮击中，他跳伞后落进了日军包围圈，敌人试图活捉他，阎海文拔出手枪，一连放倒4个鬼子，最后对准自己的太阳穴，扣动了扳机。英雄死后人们才知道，他还有一个未婚妻，正在等待他去结婚。连日军也为阎海文的行为感到敬佩，称其为"支那勇士"，用海军军礼为其举行海葬。日本国内也引起震动，《朝日新闻》发表专题报道，惊叹"中国已非昔日之支那"，东京新宿还专门举办了"支那空军勇士阎海文"公展，烈士的飞行服、降落伞和手枪等遗物陈列在玻璃橱窗里，成群结队的日本民众慕名前去观看。
8月19日的空战还涌现了一位英雄--沈崇海。他和战友陈锡纯驾机先后轰炸了地面阵地和长江口的日本军舰，在南汇上空飞机突发故障，沈崇海命陈锡纯跳伞逃生，自己准备驾机撞毁敌舰，陈锡纯不愿独自偷生，坚决要求与其共生死，于是两人开足马力径直撞向一艘巡洋舰，与之同归于荆以生命和热血谱写了一曲感天动地的壮丽乐章。中国空军的英勇表现让日军又敬又怕，第3舰队司令官长谷川清召集部下训斥："过去在日清战争和日俄战争时，我大和民族不怕死的精神何在？已被中国的勇士沈崇海、阎海文夺走了！"
第5大队中队长刘粹刚在一个月内一共击落6架敌机，此后一个月又击落5架，以击落11架敌机创造了单机击落敌机的最高纪录，被称为中国空军的"红武士"，连日本王牌飞行员加藤建夫也惺惺相惜地誉之为"赵云式的勇士"，刘粹刚与日机的空战镜头还被日空军看作是空战的模范战例。刘粹刚与高志航、李桂丹、乐以琴一起被称为"四大天王"（也有叫"四大金刚"）。
中国爱国空军不怕牺牲、屡次战胜强敌的精神鼓舞了前线将士，在后方也引起广泛而强烈的反响，中共延安的刊物发表了《英勇的中国空军万岁》的文章，周恩来、董必武、叶剑英等还为空军烈士题献挽联。