据不完全统计，在“五三”和“五四”两次大轰炸中，日军轰炸机共炸死三千九百九十一人，炸伤二千三百二十三人，损毁建筑物四千四百八十九栋，致使约二十万人无家可归。
11月至12月初，日军华北航空兵团为了打击苏联援华的西北路线，发动以兰州、重庆和成都三地为主要攻击目标的所谓“田号”作战。11月16日和17日，日机分批轰炸兰州城区及郊外，炸毁了甘肃省文庙东殿、皋兰县文庙大成殿和普照寺。11月27日，七十二架日机分六批空袭兰州，在黄河铁桥附近、东大街、东关、山字石、皖江会馆与河北医院等处投弹，炸毁房屋七千多间，死伤近六十人。12月1日，十五架日机分两批轰炸兰州东西飞机常中国空军起飞迎战，击落一架日机。
12月20日，十架日军轰炸机飞到昆明上空，准备进行轰炸。陈纳德一声令下，十几架P-40型战斗机直冲蓝天。这是“飞虎队”的初次实战，队员们有些紧张。弗里茨·沃尔夫击落两架日机后，以为机关枪卡壳了，大骂军火制造商，着陆后才发现是子弹打光了。其余飞行员也忘了训练内容，一发现日机就不停扫射。这场空战，美国航空志愿队取得了零比九的辉煌战果，只有一名队员受轻伤。第二天，日军轰炸机改攻缅甸仰光，陈纳德又率队击落七架日机。
此后，激烈的空战在缅甸南部和泰国上空频繁进行。美国志愿航空队以五至二十架可用的P-40型飞机，迎战总数超过一千架的日本战机。在三十一次空战中，志愿航空队共击毁日机二百一十七架，自己仅损失十四架飞机，五名飞行员牺牲，一名被俘。
对美国航空志愿队取得的辉煌战绩，中国军民纷纷赋诗祝贺，赞扬他们是“飞虎队”。
12月底，日本陆海军航空兵决定联合实施以兰州为打击目标的“百号”作战，这是日本空中力量“对中国内地的第二次大规模攻击”。日军集中了陆军航空兵的约五十多架飞机，以运城机场为基地，以及海军航空兵的多架中型攻击机，以武汉为出发点，连续三天对兰州狂轰滥炸。26日，日军出动一百零二架飞机分五批夜袭兰州。27日，日军出动九十八架飞机分五批空袭兰州。28日，日军出动一百一十二架飞机，分为六批，采用四角穿梭，再次轰炸兰州。这是抗战期间日军对兰州出动飞机最多、最疯狂的大轰炸。中国空军处于极度的弱势，仍与日机展开殊死奋战，三次空战中共击落四架日机。
兰州空中保卫战，中国空军和苏联志愿队发扬爱国主义和国际主义精神，紧密合作，共同作战，用热血捍卫中国的领空。在兰州东稍门外十公里处的东岗古城坪上，现存有一座合葬着中苏空军烈士的墓，墓碑上写着“为争取中华民族解放，抵抗日本侵略者空战阵亡”。长眠在这里的苏联空军志愿队战士，有雅士、马特、司切潘诺夫、波拉基诺夫、吉力芝、戈尔捷耶夫、伊萨耶夫和其他一些未留下姓名的烈士。