全面抗戰爆發后，國民黨所有軍種中恐怕沒有哪一支能像空軍部隊那樣表現得如此出色。1937年淞滬抗戰爆發的第二天，8月14日，中國空軍出動多架次轟炸機和攻擊機，空襲了黃浦江上的日本軍艦以及位于上海的多處日本軍事目標，并在當天擊落了3架發起日軍“96式陸攻”轟炸機，而己方無一被擊落。8月14日也因此被國民政府定為空軍節。

然而，縱使有“8.14”這樣的開局，加上高志航、樂以琴、劉粹剛，李桂丹等合稱為空軍“四大天王”的杰出飛行員與日寇以命相搏，終無法經受實力差距懸殊的日軍空中力量的長期消耗，至1937年11月，中國空軍彈盡糧絕，再也無力阻止日本飛機對中國城市的狂轟濫炸。

之后的3年時間里，蘇聯以航空志愿隊名義，總共派遣了3000多人、400余架各型飛機參加中國抗戰，協助中國空軍擊落、炸毀敵機986架，毀傷日軍艦船120艘。但隨著1940年蘇日簽訂互不侵犯條約而中蘇關系逐漸轉冷，中國的天空再次向日寇洞開。

樂以琴 （1914年11月11日―1937年12月3日），四川蘆山人。曾在一次空戰中擊落敵機4架。抗戰中總共擊落敵機8架，是中國空軍第一位空戰王牌飛行員。1937年12月3日，在南京淪陷前的最后一次空戰中，被多架日團團圍住，他的戰機中彈起火，被迫跳傘。因推遲了打開降落傘的時間，觸地犧牲，年僅23歲。

劉粹剛（1913年―1937年10月25日） ，原籍安徽宿縣（今宿州）， 生于遼寧省昌圖縣。從1937年8月16日首開紀錄到10月中旬，共擊落敵機11架。1937年10月25日，飛機至山西高平縣時，因油料不足加之天黑視線不佳，在迫降過程中飛機不慎撞上了高平縣城東南城垣上20多米高的魁星樓，不幸犧牲，時年24歲。

李桂丹（1914―1938）， 遼寧新民人。曾先后擊落敵機8架，戰績輝煌。1938年2月18日，在武漢保衛戰中，僅其1人即擊落敵機3架，激戰中不幸被日寇擊中，壯烈殉國，時年24歲。

國民政府繼續為空軍尋找新的外援。1940年10月，時任國民政府空軍顧問的美國人陳納德帶著蔣介石的期望回到美國，幫助中國招募和建立一支“外籍空軍兵團”，但屢屢碰壁。直至1941年4月，在羅斯?？偨y的暗中支持下，美國政府同意美軍飛行員自愿退伍前往中國，加入陳納德的美國志愿援華航空隊（VGA）。最終，國民政府以高出美國普通飛行員數倍的工資招募到110名飛行員和200多名地勤人員，并于1941年7月分批乘船，經澳大利亞、菲律賓、爪哇、新加坡后，最終到達緬甸。

與此同時，為VGA配備100架P－40C戰斗機的購買合同也已確定，但其中也頗費周折。早在納粹德國剛剛開始進攻法國時，法國便從美國的寇蒂斯飛機制造廠訂購了140架P-40A型戰斗機。正當寇蒂斯公司準備把最后一批100架P-40A型戰斗機交貨之時，法國已經繳械投降，寇蒂斯公司只得把這批飛機轉賣英國。但英國空軍因不滿先前P-40的性能而將其拒之門外。獲得此消息的國民政府迅速以每架4.5萬美元的價格訂購了這批飛機。

1941年7月，100架在原先P-40A基礎上改進而來的P-40C戰斗機被秘密運抵緬甸仰光港。卸貨過程中，操作人員不慎把一個裝有主翼的貨包掉入了仰光河中，中國最終只得到99架。

隨著人員和裝備陸續抵達緬甸的訓練基地，1941年8月1日，蔣介石發布命令，正式成立“中國空軍美國志愿大隊”，任命陳納德上校為該大隊指揮員。

在接下來的時間，陳納德帶領著志愿大隊飛行員們在緬甸的密林上空上下翻飛，不斷演練著由他創立的對付“零”式戰機的“撲殺”戰術（在與敵機相遇之前盡量攀升至最大高度，利用P-40C上裝備的6挺機槍的強大火力對敵機進行俯沖掃射，如果沒有命中敵機便立即全速拉升，再伺機對敵人進行攻擊）。這一戰術既很好地避開了P-40C自身重量大的缺陷，又抓住了日本“零”式飛機的作戰弱點，堪稱空戰戰術史上的經典之作。

1941年12月20日上午，經歷了4個多月艱苦而又危險的訓練，志愿隊的小伙子們終于迎來了他們的首戰。在昆明上空，他們將來犯的10架日軍九九式雙發輕型轟炸機中的3架給“揍了”下去，而自身無一被擊落。由于昆明地處內陸，百姓們誤將P-40C飛機前部涂裝的鯊魚認作老虎，大名鼎鼎的“飛虎隊”稱謂由此而來。

1941年12月7日，日軍偷襲珍珠港，太平洋戰爭爆發。美國政府出于戰略上的考慮，決定將民間性質的“美國志愿援華航空隊”由“體制外”納入到“體制內”。次年7月4日，“飛虎隊”解散，自愿留下來的隊員并入美國陸軍航空隊第10航空隊，為美國駐華空中特遣隊的骨干力量，指揮官仍舊是陳納德。由于“飛虎隊”名聲在外，第10航空隊及其后來的第14航空隊也對外稱為“飛虎隊”，并沿用經典的“鯊魚”和“飛虎”涂裝。

美國志愿援華航空隊的存在，使得昆明、桂林等西南重要城市不再任由日軍飛機肆意轟炸，也為緬甸境內作戰的中國軍隊和同盟國軍隊提供空中掩護，阻滯了日軍通過緬甸進入中國云南的步伐。有資料顯示，英國首相丘吉爾在得知美國志愿援華航空隊和英國駐緬甸空軍在聯合作戰中取得輝煌戰績后，專門發來電報祝賀說，“中英聯合在東南亞的水田上空所進行的戰斗，其意義并不亞于英國空軍在不列顛空戰中所取得的決定性勝利”。更為重要的是，“飛虎隊”為當時中國唯一一條與外界相連接的滇緬公路提供了空中保護，使得國際援華物資能夠通過這條生命線源源不斷地進入中國。

值得一提的還有，“飛虎隊”在太平洋戰爭初期能夠在中國西南地區廣袤的天空取得遠高于“體制內”空中力量——美國駐菲律賓陸軍航空隊——的戰績，原因之一得益于國民政府給予“體制外”空中力量較少的約束（陳納德在1940年甚至提出以平民飛行員身份駕駛美國轟炸機空襲日本本土，在日美還未開戰之時便提出這樣大膽的計劃，絕對石破天驚）；同時，國民政府優厚的獎金激勵和保障良好的生活條件也是一大重要原因。據飛虎隊員戰后回憶，“當時在中國境內的飛行員宿舍設施絲毫不亞于豪華賓館”，愛吃牛肉的美國飛行員甚至將機場周邊的黃牛、水牛和牦牛都“消滅”一空。

從1941年12月20日首次升空作戰至1942年7月4日解散為止，“飛虎隊”在總計7個月的時間里共擊落日機299架，擊傷153架。美國志愿隊4名駕駛員在空戰中陣亡，6人被高射炮射中陣亡，3人被敵人炸彈炸死，3人被俘，10人在空難事故中喪生。