2月8日第3飞行团以2o架飞机轰炸小蚌埠中国守军，支援其第13师团强渡淮河；3月17日第1飞行团以2o余架飞机轰炸滕县中国守军，支援其第1o师团攻击滕县城等。至临沂及台儿庄战斗时，日军航空兵则极活跃，基本上每日都出动飞机支援第一线部队战斗。
当日军飞机增加后，又开始了对武汉等地的战略轰炸，同时也增加了所谓航空击灭战的任务，即轰炸中国空军的基地和进行空战，以期消灭中国空军。但由于中国空军及苏联航空志愿队的英勇战斗，，日军不仅并未达到击灭我国空军的目的，反而被击落数十架飞机，这在一定程度上削弱了日军的空中支援能力。
淞沪会战中中国空军损失巨大。至南京保卫战后期，中国空军可用于作战的飞机不足3o架。国民政府航空委员会西迁，并于3月间进行了改组，设参事室、顾问室、主任办公室及军令、技术、总务、防空4个厅。飞行人员一部分调往武汉、南昌等地，一部分赴兰州地区接受苏联教官的短期训练。
国民政府用苏联贷款购买的苏联飞机，从26年年11月底开始陆续运至中国，国空军得到了新的补充。截至徐州会战开始前，中国空军作战飞机的总数已有217架。它们分别驻在南昌、武汉、西安、兰州、武威、酒泉、襄阳等地机场。另外，2月7日中苏签订了《军事航空协定》，苏联支援中国抗战，来华参加作战的苏联航空志愿队也到了中国，与中国空军并肩作战。
在空中防御作战方面。我国空军在武汉、归德、洛阳、长沙等地上空曾多次重创日军飞机。27年2月18日，正当淮河阻击战和鲁南两下店反击战进行激烈之际，日军轰炸机12架在26架战斗机掩护下空袭我指挥中枢的武汉，驻汉口和孝感的中国空军第4大队大队长李桂丹率战斗机29架迎击，在汉口机场附近上空激战约12分钟，击落日机11架，中国飞机也被击落5架，大队长李桂丹、中队长吕基淳及飞机员巴清正、王怡、李鹏翔5人殉国。
在战略攻击方面：中国空军曾对台北及日本本土进行过两次突袭，造成很大影响。2月21日凌晨，我国空军驻汉口的苏联志愿队28架轰炸机飞越台湾海峡，7时许到达台北松山机场和新竹大电力厂上空进行俯冲轰炸。这一行动完全出乎日军意料之外，日方毫无防备。直至9时前后，日军飞机才飞到台北上空，但志愿队已完成轰炸任务，并在台北市低空环飞一周后飞回中国。这次突袭，炸毁日海军第一联合航空队鹿屋航空队飞机12架及仓库数座，并使新竹大电