1937年12月，南京失守后，國民政府機關、軍事委員會和中共代表團、八路軍辦事處等機構紛紛遷到武漢，武漢成為當時抗戰的指揮中心。

侵華日軍積極策劃進攻武漢，一方面派飛機對武漢狂轟濫炸，一方面派地面部隊迅速推進。武漢當時是中國空軍的重要基地之一。日軍以近400架飛機連續轟炸武漢等地，欲奪取這一地區的制空權。

在武漢會戰期間，裝備處于劣勢的中國空軍在蘇聯志愿飛行隊的配合下，在空中奮勇抵抗并多次擊退了日軍的進犯，還配合地面戰斗頻繁出擊，轟炸和掃射溯長江而上的日軍，取得了一系列輝煌戰績。

1938年1月5日，蘇聯空軍志愿隊100多人飛抵武漢，加入戰斗序列，而在淞滬抗戰和南京保衛戰中遭受嚴重損失的中國空軍也得到部分補充。

1938年2月18日上午9時許，日軍出動38架各式飛機空襲武漢。李桂丹率領中國空軍第四大隊和蘇聯空軍志愿隊分別從漢口、孝感和南昌等地起飛迎擊，迅速將敵機攔截在距離武漢市中心50至75公里的地帶，并展開了激烈的廝殺。激戰十幾分鐘，日機開始被擊中墜落，日本指揮官金子隆司大尉也墜機身亡，其他則狼狽逃竄。

這一仗，中蘇空軍共擊落敵機14架，取得了武漢保衛戰中的首次空中勝利。不幸的是大隊長李桂丹、中隊長呂基淳和其他多名飛行員壯烈殉國。

2月21日，各界民眾萬余人舉行集會和游行慶?？战?、追悼國瘍。中共中央和駐武漢的第18集團軍代表周恩來、董必武、葉劍英等出席集會并敬送挽聯:

為五千年祖國英勇棲牲，功名不朽；有四百兆同胞艱辛奮斗，勝利可期。

4月20日，駐扎在孝感機場的一架中國空軍戰機在試飛中發現一架日軍飛機，并將其擊落，在檢查敵機殘骸時發現了日軍近期準備發動新一輪空襲的重大情報。

果然，在4月29日下午，日軍為慶祝天皇生日，特派佐世保十二航空隊的39架飛機空襲武漢，目標是中國的空軍基地和漢陽兵工廠。早已嚴陣以待的中國空軍由毛稼初和董明德率領19架伊-15型戰斗機，會同蘇聯飛行員圖恩、別斯帕洛夫繃圖斯等駕駛的45架戰斗機占據了有利高度，奮起迎戰。日軍被打了個措手不及，半個小時后，中蘇飛行員擊落日機21架，打死飛行員50名，兩名跳傘的飛行員被活捉。

5月31日，日軍又卷土重來，以36架驅逐機和18架轟炸機再次進犯武漢。這次也不例外，日軍重蹈前兩次空戰的結果，被中蘇戰鷹合力擊落了14架。此后，中國空軍在蘇聯志愿飛行隊的配合下，接連取得了“七一六”“八三”和“八一八”等空戰的勝利。

6月后，日本大本營下達命令，決定“以初秋為期，攻擊武漢”，武漢保衛戰進入了新的階段。中國空軍除保衛武漢上空外，還主動出擊，打擊南京、蕪湖一帶的日軍飛機場和長江內的日軍艦艇，破壞日軍海陸空的“立體”進攻。此外，中國空軍還不時直接打擊日軍地面部隊，打擊點主要選擇日軍的指揮部、車站、軍用列車、倉庫、浮橋、炮兵陣地、步兵集結點、機械化部隊和行軍隊列，取得了相當的戰果。據統計，從5月至10月，中國空軍擊落敵機60余架，炸沉炸傷敵大小軍艦100余艘。