全面抗戰(zhàn)爆發(fā)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(xiàn)得如此出色。1937年淞滬抗戰(zhàn)爆發(fā)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(fā)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(jié)。

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(jīng)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(lián)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(zhàn)，協(xié)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(guān)系逐漸轉(zhuǎn)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(zhàn)中擊落敵機4架。抗戰(zhàn)中總共擊落敵機8架，是中國空軍第一位空戰(zhàn)王牌飛行員。1937年12月3日，在南京淪陷前的最后一次空戰(zhàn)中，被多架日團團圍住，他的戰(zhàn)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(zhàn)績輝煌。1938年2月18日，在武漢保衛(wèi)戰(zhàn)中，僅其1人即擊落敵機3架，激戰(zhàn)中不幸被日寇擊中，壯烈殉國，時年24歲。

國民政府繼續(xù)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，在羅斯福總統(tǒng)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(shù)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(jīng)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(zhàn)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(zhàn)斗機。正當寇蒂斯公司準備把最后一批100架P-40A型戰(zhàn)斗機交貨之時，法國已經(jīng)繳械投降，寇蒂斯公司只得把這批飛機轉(zhuǎn)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(chǔ)上改進而來的P-40C戰(zhàn)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(xù)抵達緬甸的訓練基地，1941年8月1日，蔣介石發(fā)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(lǐng)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(chuàng)立的對付“零”式戰(zhàn)機的“撲殺”戰(zhàn)術(shù)（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(zhàn)術(shù)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(zhàn)弱點，堪稱空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)史上的經(jīng)典之作。

1941年12月20日上午，經(jīng)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(zhàn)。在昆明上空，他們將來犯的10架日軍九九式雙發(fā)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(nèi)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(zhàn)爭爆發(fā)。美國政府出于戰(zhàn)略上的考慮，決定將民間性質(zhì)的“美國志愿援華航空隊”由“體制外”納入到“體制內(nèi)”。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(jīng)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(nèi)作戰(zhàn)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(lián)合作戰(zhàn)中取得輝煌戰(zhàn)績后，專門發(fā)來電報祝賀說，“中英聯(lián)合在東南亞的水田上空所進行的戰(zhàn)斗，其意義并不亞于英國空軍在不列顛空戰(zhàn)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(zhàn)爭初期能夠在中國西南地區(qū)廣袤的天空取得遠高于“體制內(nèi)”空中力量——美國駐菲律賓陸軍航空隊——的戰(zhàn)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(zhàn)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(yōu)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(jù)飛虎隊員戰(zhàn)后回憶，“當時在中國境內(nèi)的飛行員宿舍設(shè)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(zhàn)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(zhàn)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。