下午3点50分，日军第二梯队田中机队的十二架轰炸机，刚刚进入兰州空域，便遭到苏联空军志愿队十四架战斗机的围攻。日军机群慌忙将一百四十四枚五十公斤级的炸弹胡乱投下，夺路而逃。
日军第三梯队河岛机队的九架轰炸机，在兰州城内和西古城机场投弹完毕，正要返航，在机场东北角被中国空军第十七中队拦住，双方展开空中激战。
这次空战，中国空军共击落八架日机，白塔山的苏罗通高射炮击落一架，苏联志愿队损失一架飞机。日军向上司谎报击落中国飞机三十六架，而上司信以为真，根据这项离谱的战绩进行评估，认为兰州的中国空军力量已经瓦解，于是将第三次攻击目标从机场改为兰州市中区的中国第八战区长官公署。
23日，日军发动第三次空袭。他们改变花样，在发动进攻前一个半小时，以上次轰炸中受到重创的服部机队执行佯攻，轰炸兰州以东约二百六十公里的平凉，然后轰炸宝鸡，企图迫使兰州地区的中国战机提前升高，消耗油料，日军河岛机队和田中机队再乘机轰炸兰州。
河岛机队八架轰炸机和佐濑育三第六十机队的十二架轰炸机，从运城出发，分别于下午2点53分和2点54分侵入兰州上空。中国空军第十五中队的三架苏制И-15战斗机，分别由余平想副队长和李德标、陈崇文驾驶，首先冲向日军机群。接着，第十七中队和苏联志愿队的二十八架战机从四面八方向日军机群展开攻击。
日军机群见势不妙，立即丢下炸弹返航。佐濑机队的九七式重型轰炸机具有转弯灵活和速度上的优势，遍体鳞伤地逃出遭到围攻的空域。河岛机队的意制菲亚特BR-20型轰炸机却很笨重，遭到中国空军和苏联志愿队的沉重打击。这一仗，中国空军击落六架日机，击伤其余的所有日机，对其中一架射中了一百五十三发子弹。
日军轰炸机对兰州市区的毁坏是严重的。日机投下的炸弹命中了兰州的唐代著名佛教丛林普昭寺，藏经楼保存的《大藏经》六千三百五十八卷全被烧毁，寺内的悟明方丈与和尚都被炸死。此外，嘉福寺、东华观和柏通路、道升巷的古建筑，都变成一片废墟。毁损严重的还有市内的贡元巷、新关街、西北新村、南街和东大街。
日军第一飞行团总结这几次轰炸失利的原因，认为轰炸机进入的方向少，容易遭到中国空军战斗机集中攻击，而队形又很零乱，场被各个击破。日军甚至开始检讨兰州空战的必要性。他们认为，日军现有的重型轰炸机，在一般气象条件下编队远航，实施轰炸，没有战斗机的直接掩护，不但很难完成战术或战役任务，而且会受到很大损害。对重要目标的轰炸，如果在白天有利的气象条件下进行，对方就能充分发挥战斗机和高射炮的作用。中国空军在兰州地区占有优势，不仅因为气象条件有利，还因为这里是苏联空军志愿队的中心基地，能够源源不断地补充人力和装备。日军是否有必要动用有限的远程轰炸航空力量，在此刻与中国空军进行得不偿失的消耗战呢？
日本空军在兰州接连惨败，被迫于2月23日决定停止对兰州的空袭。
2月20日和23日的兰州大空战，中国空军共击落十五架日机，这是自武汉和广州失守以后，中国军队在战场上取得的最大一次胜利，鼓舞了中国民众的抗战意志。27日，《新华日报》发表短评，题为《给敌空军更大的打击》，全文如下：
昨我空军发言人说，敌大本营于1月20日公布，自侵华战争以来，敌空军损失惨重，截至去年年底，已达一千零八架，平均每月损失五十六架以上。或者说，平均每天损失两架。这证明我空军的英勇，正像苏联《红星报》所说：“由中国空军的例子可以看出，空军数量虽小，但机型最为完善，在空战中亦能制胜。”
最近兰州空战，我空军一再告捷，更说明了我数量较少而英勇的空军，战斗力在日益增强中。我们对英勇善战的空军，予最崇高的敬礼，并希望政府能实现参政会第三次大会所通过的加紧扩大空军建设案，尽速地增强空军，给敌寇以致命的打击！
中国空军没有辜负《新华日报》的高度评价，继兰州空战以后，又于3月22日轰炸广州白云机场，击毁十几架日军飞机。
1939年的中日空战，在西南和西北地区持续发生。5月3日下午1点过后，日本海军第十三航空队两个中队和第十四航空队三个中队共四十五架三菱九六式陆地攻击机空袭重庆，在1点17分进入市区上空投弹。这是日本海军航空兵对重庆的第一次大规模轰炸。中国空军第四大队二十五架波利卡尔波夫И-152战机从重庆广阳坝机场升空拦截，第五大队也从成都出动十二架И-152南飞参战。中国飞行员拼死攻击，飞机被击落七架，其余多数中弹受伤。第四大队的张明生和张哲在攻击日机时中弹坠机牺牲。日军四十五架轰炸机对重庆人口密集、商业繁荣的市中区连续轮番轰炸，投掷爆炸弹九十八枚、燃烧弹六十八枚，市中区二十七条主要街道有十九条变成废墟。
第二天，二十七架日机再次空袭重庆。日军通过核实前一天轰炸效果的侦察机报告和照片判读，决定更加广泛地使用燃烧弹。这一次，中国战斗机拦截不及时，日机得以临空投弹，造成重庆的重大损失和伤亡。国泰电影院被炸，当场炸死两百多名观众，全市三十七家银行有十四家被毁，古老的罗汉寺和长安寺也被大火吞噬。