8月14日，中国空军拉开了上海大空战序幕。中国空军几乎全部出动。
清晨7时，空军第35中队出动五架克塞机，由杭州笕桥机场起飞，轰炸上海公大纱厂日军机械库。8时40分，第2大队副队长孙桐岗率领诺斯罗普机21架，由安徽广德起飞，轰炸上海吴淞口一带日军兵舰及公大纱厂、汇山码头等地日军设施。
9时20分，第5大队大队长丁纪徐率领****机八架，由扬州起飞沿长江飞向上海，轰炸长江口一带日军兵舰，在南通附近发现日军驱逐舰一艘，当即投弹击中，因炸弹威力不够，未能将其炸沉。
下午2时20分，第5大队24中队队长刘粹刚率领****机三架，由扬州起飞，轰炸上海日军司令部及兵营，到达预定目标即俯冲投弹；地面日军高射炮猛烈还击，空中又有七架日机向该队射击，副队长梁鸿云所驾座机被击中，机毁人亡，光荣殉国。
下午2时40分和3时40分，第2大队诺斯罗普机21架，分两批先后轰炸上海公大纱厂、汇山码头及日军司令部，多数击中目标，飞行员任云周被地面炮火击中，当场牺牲，李参谋座机被击伤，返航时坠地殉职。
下午2时40分，第35中队队长许思廉率领克塞机三架，由杭州笕桥起飞，轰炸上海公大纱厂以西日军正在修建的飞机场。下午3时50分，第34中队队长刘领赐率克塞机16架，由杭州笕桥起飞，轰炸上海公大纱厂，多数击中目标。
这天，中国空军共出动飞机八批76架次，集中轰炸了上海日军各重要军事目标，给敌人以沉重打击。
空军第4大队已在8月7日奉命调往周家口；8月13日航委会密令他们移防杭州，并令大队长高志航赴南京面授机宜。此后，高志航即由南京飞往杭州。
8月14日下午1时，21中队队长李桂丹率领九架飞机离开周家口机场，接着第22、第23两中队也先后起飞，刚到笕桥机场，正待停机加油，突然响起空袭警报。刚从南京赶来的高志航，当即下令起飞。
这时几架日军轰炸机进入杭州领空。高志航立即驾机升空，首开击落日军飞机记录。
这天第4大队共击落日机六架，我军无一伤亡，取得六比零的重大胜利！加上其他大队击落的日军，共击落日机13架，中国飞机损失3架。为纪念中国空军这一辉煌胜利，8月14日被定为中国空军节。
8月14日晚，南京政府照会各国领事馆，各国停泊在黄浦江上的舰船，务必远离日本军舰，否则出现意外，中国政府概不负责。
当时张治中率领三个师已开进上海，而上海地区中**队比日军多七八倍，本可一鼓作气，将日军驱出上海。但因上海外国使团建议上海作为不设防城市，当晚南京国民政府却突然下令停止进攻，丧失了进攻良机，使日军得以大举增援。
17日中**队又奉命全线进攻；18日中**队又接令暂停进攻。这种攻守举棋不定，导致了后来上海沦陷。
8月15日，中国空军按计划分八批轰炸上海日军。
第一批飞机起飞后，陈纳德来到南京首都饭店楼顶，注视着天气变化。据气象预报，这天将有台风和暴雨袭击上海。果然中国空军派出的轰炸机群，有两批因气候关系中途返回，未能完成任务。
上午9时，轰炸日军司令部的第6大队五架战机，所携带炸弹威力不足，虽击中目标但仅将屋顶炸几个小洞。第7大队六架克塞机由安徽滁县起飞，轰炸上海日军司令部，多数击中目标，因日军防空火力太强，中国空军损失一架轰炸机。
日本空军对中国空军频繁出击十分恼火，则进行疯狂报复。
8月15日清晨，日本空军再次出动轰炸机34架，分批袭击杭州。中国空军第4大队起飞21架追击。大队长高志航再次首开纪录，击落日机一架，正当他向另一架日机攻击时，左臂被流弹击中，他带伤驾机驶回机场。其余战友仍在空中厮杀，分队长乐以琴连续击落四架日机后，因油料不足只好返航。这天杭州空战共击落日机17架。
同日，日本木更津航空队轰炸机36架首次空袭南京，又被中国空军击落14架。
8月17日，第5大队25中队八架****机轰炸日军司令部，遭敌防空火力拦阻。
8月19日，第2大队出动两批轰炸机各七架，抵达目标区时同遭敌防空火力拦阻。飞行员沈崇海杀敌心切，驾机从两千米高空对准一艘日舰俯冲下去，与敌舰同归于尽。
当时日军两艘航空母舰停泊于长江口外，从8月15日起，日机就纷纷从这些母舰上起飞，轮番轰炸中国守军阵地、车站等，加之黄浦江上日舰海军大炮猛烈轰击，中国守军伤亡惨重。中国空军竭尽全力支援地面部队作战。
8月19日，中国守军开始总攻击。22日，中国守军曾一度攻占汇山码头，部分日军逃入英租界，被英军缴械。守军继续向汇山码头两翼进展，日军连日失利濒临绝境。
这时，由松井石根大将率领的援军到达上海吴淞口外。为阻止日军登陆，中国空军第4大队代理大队长王天祥，率领18架飞机往浏河一带轰炸敌人登陆部队，在上海近郊与敌驱逐机群遭遇，展开激烈空战。王天祥在击落两架日机后不幸牺牲。
8月23日拂晓，日本空军猛烈轰炸中国守军阵地。日本海军也以重炮支援敌陆军在川沙口、狮子林至吴淞口一带登陆。中国空军派第3、第4、第5大队19架轰炸机赶赴登陆场，轰炸登